汽车半轴是重要的传动部件，使用过程中承受较大的交变载荷，半轴必须具备较高的强度和抗扭能力，要求工件表层应具有较高的强度，心部具有较高的韧性，因此半轴的材料必须达到应有的强度和韧性，才能满足使用过程中的性能和要求。
一、断裂概述
我公司的原材料均是由定点厂家供货，由于有一段时间生产量大，定点厂家供货不及时。为了满足生产需求，从市场上购进一批直径40mm的40Cr圆钢，进货检验化学成分及力学性能也在标准要求范围内。按工艺流程投入到机加工车间正常生产，在车总长、钻中心孔时操作工发现，16019FT半轴杆部中段有约100mm的表面折叠，且严重失圆。操作工将该工件挑选出来放到地上，半轴立即断为两截（见图1）。对断裂件宏观观察，断口截面90%的面积氧化严重，只有约10%的面积为新断口。该半轴杆部未进行任何加工处理，可以判定原材料已存在裂纹（见图2）。
图1 半轴断裂部位（实物）
图2 半轴断裂截面（实物）
二、试验检测
在生产加工记录表中，追溯到该批产品的原材料入库批次号，查找到原材料生产炉号，以及对应的材料牌号和圆钢直径。从该批原材料上截取样块，再次进行理化检测。截取原材料样块尺寸为25mm×25mm×15mm，进行化学成分检测，检测设备为Labspark5000精密直读火花光谱仪，检查结果（见表1）表明化学成分符合材料标准要求。
表1 原材料化学成分（质量分数） （%）
在原材料上截取标准样棒，进行力学性能试验。试验结果（见表2）表明，原材料的力学性能符合材料标准要求，但实测值大多在标准范围的下限。
表2 原材料力学性能
沿半轴断裂面垂直方向取样，经过磨制抛光浸蚀后，发现试样上有很多纵向分布的细条纹，表明原材料轧制形成的带状组织较严重，在断口截面半径1/2处尤为明显。目测试样左侧表层有少量的白亮层，这种现象属于正常的表面脱碳层；试样右侧有约2mm厚的灰色及白色异常组织，该处的外表面刚好对应于半轴折叠及失圆部位（见图3）。
图3 半轴断裂样块（实物）
进一步对折叠及失圆部位异常组织进行金相检验。检测结果，第一层即最表层为氧化物夹渣层，并有大量裂纹、疏松、孔洞及晶间熔洞（见图4）；
图4 氧化物夹渣层（100×）
第二层为变形程度很大的氧化物与基体混合层，隐约可见孔洞及晶间熔洞（见图5）；第三层为氧化物与基体分界的过渡层，上部分是氧化物与基体混合层，下部分是受热影响的正火细化组织区（见图6）；
图5 氧化物与基体混合层（100×） 图6 氧化物与正火细化区（100×）
第四层为正火区与原始组织的过渡层，上部分是正火细化组织的热影响区，下部分是原材料轧制空冷组织区（见图7）。将正火细化区组织放大，可见明显的过烧晶间熔洞组织（见图8）。
图7 正火细化区与心部组织（100×） 图8 正火区晶间熔洞（100×）
由上可知，该折叠失圆部位经过了二次加热，而且加热温度很高，应该在1300℃以上。只有超过这个温度，才能使表层形成过热过烧组织。高温加热后经过局部压力加工，表层及次表层形成变形程度很大的纤维状混合组织。试样左侧表层的白亮层为半脱碳层，深度为0.30mm，属于正常的原材料轧制表面组织（见图9）。在脱碳层的表面，局部出现变形程度很大的纤维状组织，这是由于压力加工使该部位受力变形造成的，因为脱碳部位的韧性较好易变形（见图10）。
图9 工件表面脱碳层（100×） 图10 脱碳层内变形组织（100×）
半轴断裂的断口处，为曲折不平的沿晶开裂特征，断口附近可见较多沿晶开裂的二次裂纹（见图11）。有些部位晶粒脱落坑的尺寸很大，晶粒直径达0.35～0.35mm。根据国家标准《GB/T6394—2002金属平均晶粒度测量方法》进行评定，对应的晶粒度等级达0～1级，属于严重过热的粗大组织晶粒（见图12）。
图11 断口二次裂纹（100×） 图12 粗大晶粒脱落坑（100×）
沿带状组织分布的浅灰色条状夹杂物，为低熔点硫化物夹杂（见图13、图14）。在总长2mm的带状组织条带间，断续分布4条非金属夹杂物，夹杂物长度分别为0.25mm、0.35mm、0.30mm、0.45mm，夹杂物总长达1.35mm。最长单颗非金属夹杂物面积为0.45mm×0.05mm＝0.0225mm2。根据国家标准《GB/T10561—2005钢中非金属夹杂物含量的测定》进行评定，超过标准要求允许的2级粗系硫化物面积（0.436mm×0.012mm＝0.0052mm2）的4.33倍；超过单个视场中非金属夹杂物总面积（1.35mm×0.05mm＝0.0675mm2）的12.96倍。
图13 带状组织夹杂物（100×） 图14 带状组织夹杂物（100×）
图3右侧部位的断口处，断裂面仍然呈现曲折不平的脆性开裂，断口附近有大量的疏松和孔洞（见图15）。在断口附近的基体组织中，同样可见较严重的黑点状疏松及大块状黑色孔洞（见图16）。疏松及孔洞的存在，表明原材料在铸造过程中已经存在组织缺陷。
图15 断口疏松及孔洞（100×） 图16 基体疏松及孔洞（100×）
三、结论分析
由于材料组织中非金属夹杂物严重超标，以及存在疏松、孔洞等铸造缺陷，而且原材料轧制时加热温度过高，使组织中出现过烧特征的晶间熔洞。晶界处及带状组织条带间，低熔点的夹杂物已经熔融，材料组织的晶间结合力急剧降低，从而产生锻造开裂。金相检测结果表明，原材料在轧制时已经产生很大的裂纹。钢厂在发现轧制裂纹后，没有及时进行隔离和处理，而是想办法掩盖。在轧制的原材料裂纹附近进行高温加热，然后局部压力加工，使轧制的裂纹表面焊合起来。这种隐瞒不合格的不当行为，给材料使用厂家带来极大的隐患。质量反馈后，原材料生产厂家事故调查结果，进一步证实结论分析的推断。通过这次理化检测和分析结果，希望原材料生产厂家重视产品质量，同时也要求用户加强原材料进货检验，防止该类事件再次发生。《金属加工（热加工）》杂志热处理栏目投稿范围：前沿金属材料研究，先进、实用的热处理工艺和技术，热处理装备的开发，淬火冷却技术，材料检测与分析，热温测量与控制，零件失效分析等。
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