活塞桿是汽車懸架減振器的核心零部件,其在實(shí)際工況中受軸向、側(cè)向往復(fù)力及摩擦力的作用,易發(fā)生疲勞和磨損失效?；钊麠U在出廠前需進(jìn)行拉伸、彎曲、疲勞等力學(xué)性能測(cè)試。某型汽車減振器活塞桿在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí),其下壓位移量為15 mm時(shí)發(fā)生斷裂,不滿足下壓位移量19 mm無(wú)裂紋的要求。該活塞桿的材料為S45C鋼,主要生產(chǎn)工藝為：冷拔/斷料→粗磨→高頻表面淬火→高頻回火→磨削外圓→表面研磨→微裂紋鍍鉻→除氫→鍍后研磨等。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)活塞桿異常斷裂的原因進(jìn)行了分析,并提出改進(jìn)建議,以避免該類問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

斷裂活塞桿的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：活塞桿斷裂發(fā)生在彎曲力的作用點(diǎn)附近,斷裂處略有彎曲變形；根據(jù)斷口放射狀條紋的收斂、發(fā)散方向,可將斷口分為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)：裂紋源區(qū)呈橢圓形、銀白色,與應(yīng)力軸存在一定偏斜角度；裂紋擴(kuò)展Ⅰ區(qū)面積小,呈圓弧形,暗灰色；裂紋擴(kuò)展Ⅱ區(qū)面積大,呈銀白色結(jié)晶狀,放射紋清晰；擴(kuò)展區(qū)的前期斷面平坦,后期斷面向下凹陷；瞬斷區(qū)沿活塞桿圓周分布,具有剪切唇特征；斷口塑性變形不明顯,整體呈宏觀脆性斷裂。 

圖  1  斷裂活塞桿的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在活塞桿斷口附近取樣,對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂活塞桿的化學(xué)成分符合JIS G 4051:2009 《機(jī)械結(jié)構(gòu)用碳素鋼》對(duì)S45C鋼的要求。 

1.3   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

活塞桿斷口的SEM形貌如圖2所示。由圖2可知：裂紋源區(qū)寬度約為1.31 mm,深度約為0.57 mm,距活塞桿表面約0.32 mm,說(shuō)明裂紋源區(qū)位于活塞桿的次表層；裂紋源區(qū)斷面平坦,整體呈魚(yú)眼狀,心部存在直徑為73 μm的球狀?yuàn)A雜物；裂紋擴(kuò)展Ⅰ區(qū)呈撕裂的山脊?fàn)?存在二次裂紋,可見(jiàn)韌窩形貌；裂紋源區(qū)呈冰糖塊狀的沿晶斷裂特征,存在沿晶二次裂紋；裂紋源區(qū)晶粒表面可觀察到雞爪紋形貌；裂紋擴(kuò)展Ⅱ區(qū)可觀察到河流花樣和解理臺(tái)階,呈脆性解理斷口形貌特征；瞬斷區(qū)可觀察到小而淺的剪切韌窩,這種韌窩對(duì)材料的塑性變形量貢獻(xiàn)較小,會(huì)使斷口宏觀上呈脆性斷裂特征,微觀上呈準(zhǔn)脆性解理斷裂特征,邊緣可見(jiàn)斷裂后的鍍鉻層形貌。 

圖  2  活塞桿斷口的SEM形貌

對(duì)裂紋源區(qū)的球狀?yuàn)A雜物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：夾雜物主要為含Al、Ca的氧化物。 

圖  3  裂紋源區(qū)球狀?yuàn)A雜物的能譜分析結(jié)果

1.4   金相檢驗(yàn)

在活塞桿斷口附近取樣,對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：按GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中A法評(píng)定,活塞桿非金屬夾雜物含量為AT 0.5,DT 1.5；按GB/T 6462—2005 《金屬和氧化物覆蓋層 厚度測(cè)量 顯微鏡法》測(cè)得活塞桿鍍鉻層厚度為20 μm,符合技術(shù)要求的（17±5） μm；活塞桿有效硬化層表層處的顯微組織為較細(xì)的回火馬氏體,符合JB/T 9204—2008 《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》的要求；活塞桿心部的顯微組織為鐵素體+珠光體,說(shuō)明原材料為正火態(tài)組織。 

圖  4  斷裂活塞桿斷口處的微觀形貌

1.5   硬度測(cè)試

在活塞桿斷口附近橫截面上取樣,對(duì)鍍鉻層進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果為925 HV,符合技術(shù)要求（≥900 HV）。依據(jù)GB/T 5617—2005 《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測(cè)定》對(duì)活塞桿有效硬化層深度進(jìn)行測(cè)定,繪制活塞桿表層至心部的硬度變化曲線,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：斷裂活塞桿有效硬化層深度為0.9 mm,符合技術(shù)要求（0.6~1.2 mm）；活塞桿的高頻淬火區(qū)由有效硬化層+過(guò)渡區(qū)組成,深度約為1.1 mm。 

圖  5  活塞桿表層至心部的硬度變化曲線

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)分析結(jié)果可知：斷裂活塞桿的化學(xué)成分、鍍鉻層硬度和厚度、有效硬化層深度及顯微組織等均符合技術(shù)要求；非金屬夾雜物含量為AT0.5、DT1.5,說(shuō)明原材料無(wú)明顯問(wèn)題。裂紋源位于活塞桿的次表層,最深處距活塞桿表面約0.89 mm,高頻淬火區(qū)深度約為1.1 mm,表明裂紋源區(qū)位于高頻淬火區(qū)內(nèi)[1]。裂紋源區(qū)微觀呈沿晶斷裂特性,晶面上可觀察到雞爪紋特征,為典型的氫脆斷口形貌[2-4]；裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌以解理斷裂為主,瞬斷區(qū)宏觀具有剪切唇特征,因此活塞桿斷裂性質(zhì)為一次性大載荷脆性斷裂。彎曲試驗(yàn)時(shí),氫致裂紋擴(kuò)展,最終導(dǎo)致活塞桿發(fā)生脆性斷裂[5]。氫致裂紋的形成具有延遲性[6],說(shuō)明在彎曲試驗(yàn)前裂紋已經(jīng)存在。 

對(duì)活塞桿原材料入廠前分別進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和低倍組織檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果均符合相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)要求,未發(fā)現(xiàn)氫致白點(diǎn)缺陷,可排除原材料帶入氫的可能。通過(guò)活塞桿的加工工藝可知,氫是由鍍鉻工藝引入的。在鍍鉻工藝中,氫主要以H2的形式逸出,但會(huì)有少量氫以原子形式滲入鍍層和基體材料中。進(jìn)入基體材料中的氫原子在隨后的除氫工藝中未充分逸出,殘留在材料中。由能譜分析結(jié)果可知,裂紋源區(qū)心部存在大顆粒含Al、Ca的氧化物,這種材料缺陷會(huì)成為捕獲氫的陷阱。裂紋源區(qū)位于高頻淬火區(qū)內(nèi),組織為回火馬氏體,強(qiáng)度和硬度較大,對(duì)氫脆較為敏感,且該區(qū)域在鍍鉻前經(jīng)磨削外圓、表面研磨,材料中會(huì)存在殘余拉應(yīng)力[7]。在高頻淬火區(qū)殘余應(yīng)力的作用下,殘留氫向夾雜物處擴(kuò)散聚集,形成氫分子,當(dāng)氫壓達(dá)到材料的開(kāi)裂強(qiáng)度時(shí),材料會(huì)形成氫致裂紋。 

活塞桿鍍鉻層硬度、厚度符合技術(shù)要求,說(shuō)明活塞桿在鍍鉻工藝中的電鍍參數(shù)是合理的?；钊麠U采用微裂紋鍍鉻工藝,導(dǎo)致鍍鉻層對(duì)氫的擴(kuò)散阻擋作用較弱?？裳娱L(zhǎng)除氫處理時(shí)間,使氫充分逸出。在鍍鉻后盡快除氫,避免隨著時(shí)間的延長(zhǎng),氫在基體材料內(nèi)擴(kuò)散聚集。氫脆是在氫和應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的,可在鍍鉻前進(jìn)行消除應(yīng)力處理。 

3.   結(jié)論與建議

活塞桿在鍍鉻工藝中吸入了氫元素,經(jīng)除氫處理后氫原子未充分逸出,氫元素在高頻淬火區(qū)的夾雜物處聚集,形成氫致裂紋,在彎曲應(yīng)力的作用下,裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致活塞桿發(fā)生脆性斷裂。 

建議采用延長(zhǎng)除氫時(shí)間、鍍后盡快除氫、鍍前消除應(yīng)力等方法避免氫致裂紋的產(chǎn)生。

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