汽車半軸是重要的傳動部件，使用過程中承受較大的交變載荷，半軸必須具備較高的強度和抗扭能力，要求工件表層應具有較高的強度，心部具有較高的韌性，因此半軸的材料必須達到應有的強度和韌性，才能滿足使用過程中的性能和要求。

一、斷裂概述

我公司的原材料均是由定點廠家供貨，由于有一段時間生產量大，定點廠家供貨不及時。為了滿足生產需求，從市場上購進一批直徑40mm的40Cr圓鋼，進貨檢驗化學成分及力學性能也在標準要求范圍內。按工藝流程投入到機加工車間正常生產，在車總長、鉆中心孔時操作工發現，16019FT半軸桿部中段有約100mm的表面折疊，且嚴重失圓。操作工將該工件挑選出來放到地上，半軸立即斷為兩截（見圖1）。對斷裂件宏觀觀察，斷口截面90%的面積氧化嚴重，只有約10%的面積為新斷口。該半軸桿部未進行任何加工處理，可以判定原材料已存在裂紋（見圖2）。

圖1  半軸斷裂部位（實物）

圖2  半軸斷裂截面（實物）

二、試驗檢測

在生產加工記錄表中，追溯到該批產品的原材料入庫批次號，查找到原材料生產爐號，以及對應的材料牌號和圓鋼直徑。從該批原材料上截取樣塊，再次進行理化檢測。截取原材料樣塊尺寸為25mm×25mm×15mm，進行化學成分檢測，檢測設備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀，檢查結果（見表1）表明化學成分符合材料標準要求。

表1 原材料化學成分（質量分數）   （%）

在原材料上截取標準樣棒，進行力學性能試驗。試驗結果（見表2）表明，原材料的力學性能符合材料標準要求，但實測值大多在標準范圍的下限。

表2 原材料力學性能

沿半軸斷裂面垂直方向取樣，經過磨制拋光浸蝕后，發現試樣上有很多縱向分布的細條紋，表明原材料軋制形成的帶狀組織較嚴重，在斷口截面半徑1/2處尤為明顯。目測試樣左側表層有少量的白亮層，這種現象屬于正常的表面脫碳層；試樣右側有約2mm厚的灰色及白色異常組織，該處的外表面剛好對應于半軸折疊及失圓部位（見圖3）。

圖3 半軸斷裂樣塊（實物）

進一步對折疊及失圓部位異常組織進行金相檢驗。檢測結果，第一層即最表層為氧化物夾渣層，并有大量裂紋、疏松、孔洞及晶間熔洞（見圖4）；

圖4 氧化物夾渣層（100×）

第二層為變形程度很大的氧化物與基體混合層，隱約可見孔洞及晶間熔洞（見圖5）；第三層為氧化物與基體分界的過渡層，上部分是氧化物與基體混合層，下部分是受熱影響的正火細化組織區（見圖6）；

圖5 氧化物與基體混合層（100×） 圖6 氧化物與正火細化區（100×）

第四層為正火區與原始組織的過渡層，上部分是正火細化組織的熱影響區，下部分是原材料軋制空冷組織區（見圖7）。將正火細化區組織放大，可見明顯的過燒晶間熔洞組織（見圖8）。

圖7 正火細化區與心部組織（100×） 圖8 正火區晶間熔洞（100×）

由上可知，該折疊失圓部位經過了二次加熱，而且加熱溫度很高，應該在1300℃以上。只有超過這個溫度，才能使表層形成過熱過燒組織。高溫加熱后經過局部壓力加工，表層及次表層形成變形程度很大的纖維狀混合組織。

試樣左側表層的白亮層為半脫碳層，深度為0.30mm，屬于正常的原材料軋制表面組織（見圖9）。在脫碳層的表面，局部出現變形程度很大的纖維狀組織，這是由于壓力加工使該部位受力變形造成的，因為脫碳部位的韌性較好易變形（見圖10）。

圖9 工件表面脫碳層（100×）   圖10 脫碳層內變形組織（100×）

半軸斷裂的斷口處，為曲折不平的沿晶開裂特征，斷口附近可見較多沿晶開裂的二次裂紋（見圖11）。有些部位晶粒脫落坑的尺寸很大，晶粒直徑達0.35～0.35mm。根據國家標準《GB/T6394—2002金屬平均晶粒度測量方法》進行評定，對應的晶粒度等級達0～1級，屬于嚴重過熱的粗大組織晶粒（見圖12）。

圖11  斷口二次裂紋（100×）  圖12 粗大晶粒脫落坑（100×）

沿帶狀組織分布的淺灰色條狀夾雜物，為低熔點硫化物夾雜（見圖13、圖14）。在總長2mm的帶狀組織條帶間，斷續分布4條非金屬夾雜物，夾雜物長度分別為0.25mm、0.35mm、0.30mm、0.45mm，夾雜物總長達1.35mm。最長單顆非金屬夾雜物面積為0.45mm×0.05mm＝0.0225mm2。

根據國家標準《GB/T10561—2005鋼中非金屬夾雜物含量的測定》進行評定，超過標準要求允許的2級粗系硫化物面積（0.436mm×0.012mm＝0.0052mm2）的4.33倍；超過單個視場中非金屬夾雜物總面積（1.35mm×0.05mm＝0.0675mm2）的12.96倍。

圖13 帶狀組織夾雜物（100×）  圖14 帶狀組織夾雜物（100×）

圖3右側部位的斷口處，斷裂面仍然呈現曲折不平的脆性開裂，斷口附近有大量的疏松和孔洞（見圖15）。在斷口附近的基體組織中，同樣可見較嚴重的黑點狀疏松及大塊狀黑色孔洞（見圖16）。疏松及孔洞的存在，表明原材料在鑄造過程中已經存在組織缺陷。

圖15 斷口疏松及孔洞（100×）  圖16 基體疏松及孔洞（100×）

三、結論分析

由于材料組織中非金屬夾雜物嚴重超標，以及存在疏松、孔洞等鑄造缺陷，而且原材料軋制時加熱溫度過高，使組織中出現過燒特征的晶間熔洞。晶界處及帶狀組織條帶間，低熔點的夾雜物已經熔融，材料組織的晶間結合力急劇降低，從而產生鍛造開裂。

金相檢測結果表明，原材料在軋制時已經產生很大的裂紋。鋼廠在發現軋制裂紋后，沒有及時進行隔離和處理，而是想辦法掩蓋。在軋制的原材料裂紋附近進行高溫加熱，然后局部壓力加工，使軋制的裂紋表面焊合起來。這種隱瞞不合格的不當行為，給材料使用廠家帶來極大的隱患。質量反饋后，原材料生產廠家事故調查結果，進一步證實結論分析的推斷。

通過這次理化檢測和分析結果，希望原材料生產廠家重視產品質量，同時也要求用戶加強原材料進貨檢驗，防止該類事件再次發生。