活塞桿是汽車懸架減振器的核心零部件,其在實際工況中受軸向、側向往復力及摩擦力的作用,易發(fā)生疲勞和磨損失效?；钊麠U在出廠前需進行拉伸、彎曲、疲勞等力學性能測試。某型汽車減振器活塞桿在進行彎曲試驗時,其下壓位移量為15 mm時發(fā)生斷裂,不滿足下壓位移量19 mm無裂紋的要求。該活塞桿的材料為S45C鋼,主要生產工藝為：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方法對活塞桿異常斷裂的原因進行了分析,并提出改進建議,以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

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附近,斷裂處略有彎曲變形；根據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)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)：裂紋源區(qū)呈橢圓形、銀白色,與應力軸存在一定偏斜角度；裂紋擴展Ⅰ區(qū)面積小,呈圓弧形,暗灰色；裂紋擴展Ⅱ區(qū)面積大,呈銀白色結晶狀,放射紋清晰；擴展區(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   化學成分分析

在活塞桿斷口附近取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：斷裂活塞桿的化學成分符合JIS G 4051:2009 《機械結構用碳素鋼》對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,整體呈魚眼狀,心部存在直徑為73 μm的球狀夾雜物；裂紋擴展Ⅰ區(qū)呈撕裂的山脊狀,存在二次裂紋,可見韌窩形貌；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；裂紋擴展Ⅱ區(qū)可觀察到河流花樣和解理臺階,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,這種韌窩對材料的塑性變形量貢獻較小,會使斷口宏觀上呈脆性斷裂特征,微觀上呈準脆性解理斷裂特征,邊緣可見斷裂后的鍍鉻層形貌。 

圖  2  活塞桿斷口的SEM形貌

對裂紋源區(qū)的球狀夾雜物進行能譜分析,結果如圖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)球狀夾雜物的能譜分析結果

1.4   金相檢驗

在活塞桿斷口附近取樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖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定 標準評級圖顯微檢驗法》中A法評定,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 厚度測量 顯微鏡法》測得活塞桿鍍鉻層厚度為20 μm,符合技術要求的（17±5） μm；活塞桿有效硬化層表層處的顯微組織為較細的回火馬氏體,符合JB/T 9204—2008 《鋼件感應淬火金相檢驗》的要求；活塞桿心部的顯微組織為鐵素體+珠光體,說明原材料為正火態(tài)組織。 

圖  4  斷裂活塞桿斷口處的微觀形貌

1.5   硬度測試

在活塞桿斷口附近橫截面上取樣,對鍍鉻層進行硬度測試,結果為925 HV,符合技術要求（≥900 HV）。依據GB/T 5617—2005 《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》對活塞桿有效硬化層深度進行測定,繪制活塞桿表層至心部的硬度變化曲線,結果如圖5所示。由圖5可知：斷裂活塞桿有效硬化層深度為0.9 mm,符合技術要求（0.6~1.2 mm）；活塞桿的高頻淬火區(qū)由有效硬化層+過渡區(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

由上述理化檢驗分析結果可知：斷裂活塞桿的化學成分、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要求；非金屬夾雜物含量為AT0.5、DT1.5,說明原材料無明顯問題。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[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為一次性大載荷脆性斷裂。彎曲試驗時,氫致裂紋擴展,最終導致活塞桿發(fā)生脆性斷裂[5]。氫致裂紋的形成具有延遲性[6],說明在彎曲試驗前裂紋已經存在。 

對活塞桿原材料入廠前分別進行了拉伸試驗和低倍組織檢驗,檢驗結果均符合相關材料標準要求,未發(fā)現(xiàn)氫致白點缺陷,可排除原材料帶入氫的可能。通過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,但會有少量氫以原子形式滲入鍍層和基體材料中。進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,這種材料缺陷會成為捕獲氫的陷阱。裂紋源區(qū)位于高頻淬火區(qū)內,組織為回火馬氏體,強度和硬度較大,對氫脆較為敏感,且該區(qū)域在鍍鉻前經磨削外圓、表面研磨,材料中會存在殘余拉應力[7]。在高頻淬火區(qū)殘余應力的作用下,殘留氫向夾雜物處擴散聚集,形成氫分子,當氫壓達到材料的開裂強度時,材料會形成氫致裂紋。 

活塞桿鍍鉻層硬度、厚度符合技術要求,說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,導致鍍鉻層對氫的擴散阻擋作用較弱?？裳娱L除氫處理時間,使氫充分逸出。在鍍鉻后盡快除氫,避免隨著時間的延長,氫在基體材料內擴散聚集。氫脆是在氫和應力共同作用下產生的,可在鍍鉻前進行消除應力處理。 

3.   結論與建議

活塞桿在鍍鉻工藝中吸入了氫元素,經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,在彎曲應力的作用下,裂紋不斷擴展,最終導致活塞桿發(fā)生脆性斷裂。 

建議采用延長除氫時間、鍍后盡快除氫、鍍前消除應力等方法避免氫致裂紋的產生。

文章來源——材料與測試網