40Cr鋼穩定桿螺栓，在汽車后橋上起到支撐穩定桿的作用，并以鎖緊螺母將穩定桿固定。穩定桿螺栓的加工工藝流程為：鋸床下料→熱加工鍛造→調質處理→桿部搓絲→鍍鋅處理。在服役過程中，穩定桿螺栓在鎖緊螺母的作用下，產生一個拉伸的縱向應力。隨著工件的服役承載，穩定桿產生較強的牽引，螺栓受到向右的側向拉應力。整車試行過程中，螺栓的桿部發生早期失效斷裂。該螺栓的使用周期極短，持續時間不足24h。斷裂部位位于圖示的A處，與桿部縱向近似垂直的橫向斷裂（見圖1）。
1.宏觀檢測
目測斷口的左側一半以上面積的區域色澤較淺，右側部位的色澤較深。斷口宏觀檢測，圖示左側為同心圓的多條圓弧推進線，這是疲勞擴展的斷口特征形貌，同心圓的圓心為疲勞源。斷口的右側呈放射狀快速斷裂特征，右側邊緣的傾斜部位為終斷區剪切唇（見圖2）。
圖1 螺栓斷裂部位（實物）
圖2 螺栓失效斷口（實物）
3.化學分析
斷裂失效件截取樣塊進行化學成分檢測，見表1。
4.力學性能
庫存產品抽取3件進行力學性能試驗檢測，見表2。
表2 抽樣力學性能檢測
5.金相檢驗
用掃描電鏡對斷口進行檢查，在裂紋源附近可見大量放射狀條紋。放射狀條紋的收斂處，明顯指出裂紋源位于穩定桿螺栓的表面。工件的表面有許多斷續分布的大小不一的凹槽及剝落坑，在裂紋源左側有兩塊較大的并排分布的剝落坑，剝落坑的下面可見多源臺階條紋，這種多源臺階條紋屬于應力集中的典型特征。在放射狀條紋的突起處，明顯分布數量眾多的顆粒狀產物，這種細小的顆粒狀產物，經檢測確認為A類非金屬夾雜物，屬于典型的硫化物夾雜。（見圖3）。心部調質區域的斷口檢查，掃描電鏡觀察結果顯示為韌性斷裂，圖片顯示以韌窩及撕裂棱的特征形貌為主。在韌窩的底部同樣存在顆粒狀及條狀硫化物夾雜（見圖4）。
圖3 裂紋源斷口形貌
圖4 心部斷口形貌
在試樣的表層存在一條細微的傾斜裂紋，裂紋兩側有較嚴重的脫碳層。裂紋間隙內明顯可見凸出的圓弧狀晶粒自由表面，裂紋內為斷續分布的孔洞，這是組織疏松和氣泡的特征形態。綜合以上組織特征可以斷定，該裂紋為原材料表層皮下氣泡引起的折疊裂紋（見圖5）。折疊裂紋的表層附近，有一條與工件表面垂直的微裂紋，裂紋擴展呈周期往復的曲折狀穿晶形態，這種形式的穿晶微裂紋，屬于疲勞擴展的特征形貌（見圖6）。
圖5 折疊裂紋全貌（40×）
圖6 折疊裂紋開口（400×）
樣塊左側的表層相距不足10mm長度范圍內，斷續分布數十條表面微裂紋，裂紋沿表層圓弧狀凹坑底部開裂。根據金相組織檢查初步推斷，表層的凹坑是工件表面鍍鋅過程中，酸洗時間過長留下的腐蝕坑。表面微裂紋的深度在0.10～0.20mm。表層密集分布的黑色點狀組織是表面鍍鋅層，白亮色塊狀組織為脫碳層中的鐵素體組織。經測量鍍鋅層為0.04mm，脫碳層為0.10mm，其中全脫碳層為0.04mm，半脫碳層為0.06mm（見圖7）。樣塊右側的表層灰黑色鍍鋅層更加明顯。右側的脫碳層深度與左側的脫碳層相近，心部組織仍然是保持馬氏體位向的索氏體組織（見圖8）。
圖7 左側表層組織（400×）
圖8 右側表層組織（400×）
斷口開裂初期呈平直的穿晶狀態，這種穿晶形態屬于疲勞擴展的特征形貌。表層及次表層組織為調質狀態的馬氏體位向索氏體，馬氏體位向的組織較為粗大（見圖9）。裂紋擴展后期，斷口呈凹凸不平的沿晶斷裂特征。沿粗大斷口的凸出晶粒表面，斷續分布大小不等的圓弧凹坑，這是典型的沿晶韌窩斷口形貌，屬于過熱特征組織。斷口附近有非金屬夾雜物熔融的孔洞，表明原始軋制或鍛造溫度過高，硫化物夾雜已經熔化為孔洞，顯著降低了材料強度，增加材料脆性（見圖10）。
圖9 裂紋穿晶組織（400×）
圖10 裂紋沿晶組織（400×）
在樣塊的右側裂紋擴展終斷區，晶粒呈脫落狀態，晶粒間硫化物夾雜熔融的晶間熔洞組織更為明顯。由于晶間熔洞的形成，晶間結合力顯著降低，材料組織脆性增大，終斷區斷口受擠壓產生沿晶脆斷（見圖11）。裂紋終斷區的表層處纖維狀組織較為嚴重，脫碳層區域鐵素體已經被拉成長條狀。外表層的纖維組織是斷口延伸的塑性變形層，圖示上部更加嚴重的纖維組織是斷口擠壓的變形層。近表層附近的脫碳層的存在，強度急劇降低，韌性顯著增加，斷口撞擊擠壓處顯示出塑性變形的特征。
圖11 脆性斷口組織（400×）
圖12 擠壓變形組織（400×）
6.結論分析
穩定桿螺栓斷裂，是由于外表層受到螺母擰緊的縱向拉伸應力，以及穩定桿向右側牽引的側向應力，于是在工件的右側增加了雙向的拉應力。表面疲勞裂紋形成于拉應力處，產生在強度最低的缺陷部位，工件的表面脫碳層顯著降低材料的表面強度。在服役承載的交變應力作用下，由較深的腐蝕坑底部引發了應力集中產生疲勞裂紋源。疲勞裂紋沿同心圓的弧形推進線向前延伸，向穩定桿螺栓桿部中心部位擴展。當應力增大到峰值時，便在斷口中心部位形成多源臺階的應力集中開裂，并呈放射狀條紋迅速擴展至斷裂。軋制或鍛造的過熱組織晶粒粗大，晶間結合力顯著降低。非金屬夾雜物熔融的晶間熔洞組織，進一步降低材料強度，增加材料脆性，最終導致工件在極短的時間內，由疲勞擴展至沿晶脆性斷裂。
皮下氣泡形成的折疊裂紋也會產生疲勞擴展的裂紋源，較深的裂紋造成很高的應力集中，甚至可以使裂紋迅速擴展至斷裂。只是由于皮下氣泡折疊裂紋未處于拉應力最強的部位，裂紋沒有繼續擴展的推動力。如果該裂紋位于拉應力中心，失效斷裂的時間將會更短。
第一作者：焦東風，合肥美橋汽車傳動及底盤系統有限公司
第二作者：金林奎，東莞市星仁杰金屬材料科技有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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