某定位銷斷裂失效分析

冀 鵬，陳俊杰，武衛星

某定位銷斷裂失效分析

冀 鵬，陳俊杰，武衛星

（浙江零跑科技股份有限公司，浙江 杭州 310053）

由40Cr鋼制成的定位銷在工作過程中多次突然斷裂，基于此，文章分析了定位銷的化學成分、顯微組織、斷口形貌等。結果表明，此次斷裂為氫致延遲斷裂，主要是由于原材料內存在D類非金屬夾雜物，同時表面淬火后產生內應力，后續生產過程中的酸洗及電鍍工藝致使定位銷吸氫，最終在交變應力的作用下發生斷裂。改善原材料的冶金質量，表面淬火后增加去應力退火工藝，電鍍后增加除氫工序，可有效解決該斷裂問題。

40Cr鋼；定位銷；氫致延遲斷裂；非金屬夾雜物；電鍍

焊裝車間自動填料機機械臂定位銷在生產服役過程中頻繁出現突然斷裂的情況，嚴重影響生產效率。該定位銷的主要作用是限制機械臂單向行程，工作中受切應力和沖擊載荷。其原材料為40Cr，由某零部件廠加工后供貨。進一步了解到其技術要求：硬化層深度為1.0～1.5 mm，表面硬度為30～35 HRC，芯部硬度為20～25 HRC，表面電鍍鋅，鍍鋅層厚度不小于4 μm。

1 理化檢驗

1.1 化學成分

采用Spectrolab S型火花直讀光譜儀進行化學成分測試，檢測結果如表1所示，表1的標準值參照《合金結構鋼》（GB/T 3077－2015）中的規定。

表1 定位銷化學成分（質量分數） 單位：%

CSiMnPSCr 標準值0.37～0.440.17～0.370.50～0.80≤0.03≤0.030.80～1.10 實測值0.420.210.750.010.010.96

1.2 顯微組織

沿定位銷沿軸線縱向切開，制成金相試樣，經體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用WMJ-9950型顯微鏡觀察試樣顯微組織，如圖1所示。其中圖1(a)為表層高頻淬火后的針狀馬氏體+少量殘余奧氏體，圖1(b)為芯部的珠光體+鐵素體。

1.3 硬度及淬硬層深度

采用HRS-150M型洛氏硬度計，測得的表面硬度為31.3 HRC，芯部硬度為20.8 HRC。根據技術協議270 HV為規定硬化層深度時的硬度值，參照《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》（GB/ T 9450－2005），試驗力為9.807 N（即1 kgf），可測得距樣件表面距離的硬度值，由此繪制出硬度-距離曲線，由圖2可知硬化層深度為1.32 mm。

圖2 硬度-距離曲線

1.4 非金屬夾雜物

進一步檢測定位銷的非金屬夾雜物，取樣部位如圖3(a)所示。由圖3(b)可以看出，界面夾雜物顆粒為黑色，呈無規則分布，參照《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》（GB/T 10561－2005）判定為D類（球狀氧化物類）夾雜物，評級為1.5級。

圖3 取樣部位及非金屬夾雜物

2 斷口分析

2.1 斷口宏觀形貌

定位銷斷口宏觀形貌如圖4所示。由圖4可知，斷口與定位銷軸向基本平齊，附近無顯著塑性變形且斷面無拉伸斷裂的剪切唇，斷口顏色為亮灰色，未見明顯腐蝕產物。斷口左下側邊緣有起源于中心的放射棱線。

圖4 斷口宏觀形貌

2.2 斷口微觀形貌

采用Axia ChemiSEM掃描電鏡觀察斷口形貌，如圖5所示，圖5(b)為圖5(a)的局部放大。由圖5可以看出，斷口呈典型的冰糖狀沿晶斷裂特征，晶界不光滑，有大量的雞爪狀撕裂棱線，同時可以看到部分晶界處有二次裂紋存在。

圖5 斷口微觀形貌

3 分析與討論

化學成分檢測結果表明，失效件各元素含量滿足標準要求。顯微組織表層為細小的針狀馬氏體和少量殘余奧氏體，芯部為珠光體和鐵素體，無明顯異常組織。硬度檢測顯示，表面硬度和芯部硬度均符合技術要求規定，淬硬層深1.32 mm亦滿足技術要求。但是失效件存在1.5級的D類（球狀氧化物）非金屬夾雜物，說明其冶金質量較差。

宏觀斷口分析表明，正常目視情況下斷面與軸向基本垂直，附近無可見的塑性變形，瞬斷區未見剪切唇，此次斷裂為脆性斷裂，斷口呈亮灰色，無腐蝕產物。通過掃描電鏡觀察顯示，斷口為冰糖狀，可知該斷裂類型為典型的沿晶斷裂[1]。進一步觀察發現，斷口的晶面輪廓鮮明，有雞爪狀的撕裂棱線；晶界不光滑，部分晶界及晶面伴隨有二次裂紋，綜合判斷該斷裂為氫致延遲斷裂[2]。

定位銷生產過程：下料－機加工－表面淬火－酸洗－電鍍，沒有除氫工藝。相關文獻研究表明，高強度鋼在酸洗及電鍍過程中，極易發生氫脆斷裂[3-4]。這是因為酸洗時，酸溶液中的氫離子會滲入工件基體材料中。此外，電鍍工藝也是工件吸氫的主要途徑。定位銷在電鍍過程中作為陰極，在電流作用下，槽液中的氫離子向陰極聚集，被還原后大部分以氫氣泡的形式逸出，另一部分以氫原子的狀態滲入鍍層及材料基體中[5]。然而氫在金屬中的存在并不是靜止不動的，受濃度梯度和應力梯度的影響，向低濃度、高應力區、應力集中或缺陷處擴散、富集。由于定位銷冶金質量較差，基體內存在一定量的非金屬夾雜物，同時表面淬火后表層組織與芯部組織不同，故基體還內存在一定的內應力。基體內缺陷和內應力為氫的擴散、聚集提供了必要的條件，擴散浸入鋼中的氫在非金屬夾雜物和應力集中部位聚集形成內高壓[6-8]。隨著氫的不斷富集，當氫濃度達到一定值時，致使金屬內部出現微裂紋。定位銷在服役過程中承受交變載荷和一定的沖擊載荷，在附加外應力的共同作用下微裂紋不斷擴展，在達到臨界值時突然發生脆性斷裂。

4 結論及建議

自動填料機機械臂定位銷原材料（40Cr）冶金質量較差，內部存在D類非金屬夾雜物。熱處理工藝不完善，表面淬火后未進行適當的去應力退火。同時酸洗及電鍍后未進行除氫處理，致使氫滲入基體材料，在應力集中處以及非金屬夾雜物等缺陷部位聚集。在交變載荷的作用下，最終導致定位銷因氫脆發生突然斷裂。

建議零部件廠完善原材料入廠檢測流程，明確原材料檢測項目及相應要求；同時建立零部件出廠定期抽檢機制，防止缺陷零部件批量流出；進一步完善熱處理工藝，針對不同強度、不同鍍層、不同要求的零部件采用合適的處理工藝并形成現場指導文件。由此也折射出公司對供應商管理方面的不足，經討論后改進措施如下：焊裝車間完善零部件入廠入庫流程，要求供應商隨件提供該批次產品出廠檢測報告；質量部做好產品一致性管理，建立材料-工藝凍結表，增加飛行檢查頻次，確保零部件生產工藝穩定；供應商管理部完善對供應商研發能力、現場管理、設備維護、人員培訓等方面的評分標準，進一步提高供應商準入門檻。同時應舉一反三對所有外協零部件進行橫展，避免類似問題的發生。

[1] 孫國峰.40Cr鋼斷裂失效分析[J].金屬制品,2011,37 (5):80-82.

[2] 章敬保,胡洋,高國慶,等.汽車張緊輪用40Cr鋼螺栓斷裂失效分析[J].機械工程材料,2016,40(10):108-110.

[3] 張利峰,佟海生,王衛東,等.高強度螺栓斷裂失效分析[J].材料保護,2021,54(10):150-153.

[4] 楊春,鐘振前,司紅,等.汽車缸蓋螺栓斷裂原因分析[J].金屬熱處理,2016,41(11):175-178.

[5] 孫小炎.螺栓氫脆問題研究[J].航天標準化,2007(2): 1-9.

[6] 沈玲.鋼制螺栓鍍鋅后脆性斷裂分析[J].航空制造技術,2006(3):103-104.

[7] 金昊昀,王榮,呂淵.SWRCH22A鋼螺釘的斷裂原因[J].機械工程材料,2020,44(9):99-102.

[8] 李楠,江曉禹.表面氫對裂紋擴展的影響[J].原子與分子物理學報,2023,40(6):183-189.

Fracture Failure Analysis of a Positioning Pin

JI Peng, CHEN Junjie, WU Weixing

( Zhejiang Leapmotor Technology Company Limited, Hangzhou 310053, China )

The positioning pin made of 40Cr steel suddenly broke several times during operation,based on this, chemical composition, microstructure and fracture morphology are analyzed, the results show that the failure is caused by hydrogen-induced delayed fracture. Mainly because of class D non-metallic inclusions in materials and producing internal stress after surface quenching, the positioning pin absorb hydrogen in following processes of pickling and electroplating and break down in under the action of alternating stress. It is suggested to improve the metallurgical quality of materials, add the process of stress relief annealing after surface quenching, and it is more important to add the process of removal of hydrogen after electroplating.

40Cr steel; Positioning pin; Hydrogen-induced delayed fracture; Non-metallic inclusions; Electroplating

U464.13

A

1671-7988(2023)17-154-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.028

冀鵬（1990－），男，工程師，研究方向為汽車材料應用開發及失效分析，E-mail:362443307@qq.com。