50CrVA扭力杆早期疲劳断裂分析_袁桥军.pdf

2023年第1期50CrVA扭力杆早期疲劳断裂分析袁桥军1，陈礼洲2（1.湘潭钢铁集团有限公司，湖南 湘潭411101；2.中国船级社武汉分社，湖北 武汉 430030）摘要：通过对50CrVA扭力杆化学成分分析、宏观和微观断口观察、金相组织检查、硬度检验，分析了扭力杆早期疲劳断裂的原因。结果表明：扭力杆表面进行了补焊修复处理，而补焊区域存在未融合和裂纹等缺陷，这些缺陷在断裂中起到疲劳源的作用，是扭力杆早期断裂的最主要原因；原材料中Mn、Cr、V等元素偏低，降低了淬透性，使得表面硬度低于标准值，导致扭力杆的强度降低，也引发了扭力杆早期断裂。关键词：50CrVA钢；断口；疲劳断裂；补焊；表面硬度中图分类号：TG115.5文献标识码：A文章编号：2095-5014（2023）01-0025-04Early Fatigue Fracture Analysis of 50CrVA Torsion BarYUAN Qiaojun1，CHEN Lizhou2(1.Xiangtan Iron and Steel Group Co.，Ltd，Xiangtan 411101，China；2.Wuhan Branch ofChina Classification Society，Wuhan 430030，China）ABSTRACT：The causes of early fatigue fracture of 50CrVA torsion bar were analyzed by meansof chemical composition analysis，macro and micro fracture analysis，metallurgical analysis andhardness test.The results show that the torsion rod surface was repaired，but the repair weldingarea has defects such as un-fusion and crack，which becomes fatigue source in the fracture，andis the most important reason for the early fracture of the torsion bar；Mn，Cr，V and otherelements in the raw materials are low，which reduces the hardenability and makes the surfacehardness lower than the standard value.The low surface hardness reduces the strength of thetorsion bar and also leads to the early fracture of the torsion bar.According to the analysis，theimprovement measures are proposed.KEY WORDS：50CrVA；fracture；fatigue fracture；repair welding；surface hardness收稿日期：2022-09-09第一作者简介：袁桥军（1982），男，工程师，工程硕士，主要从事钢铁材料组织与性能方面的研究工作。金 属 材 料 与 冶 金 工 程Metal Materials And Metallurgy Engineering第51卷第1期2023年2月Vol.51 No.1Feb.202350CrVA是一种常见的中碳合金弹簧钢，它具有淬透性好、疲劳强度高、不易脱碳和表面质量好等优点，广泛应用于各种机械，如汽车悬挂弹簧、扭力杆、稳定杆、发动机零部件等1-2。扭力杆是汽车悬挂系统最重要部件之一，它直接影响汽车行驶安全性和乘座舒适性，在汽车行驶过程中，扭力杆经受交变应力作用，故需要其具有优良的力学性能与疲劳性能。某厂生产的50CrVA汽车用扭力杆设计寿命为100万次。在前期对扭力杆成品进行疲劳实验时，扭力杆在疲劳次数 10万次左右发生断裂，试验载荷44 kN，频率1 Hz。该扭力杆的加工路线如下：下料-粗车-热处理-精车-研磨-线切割-铣加工-检验-表面喷金 属 材 料 与 冶 金 工 程第51卷第1期丸-表面油漆。该扭力杆的调质热处理在井式电炉中进行，下料粗车成图纸尺寸后进行850 正火，完全冷却后再升温至900，保温80 min后出炉油淬，冷却至室温后升温至400 保温180min回火后空冷。1理化检验与分析采用化学成分、断口分析、金相检测、力学性能分析等方法，对早期断裂的扭力杆进行了断裂原因分析。1.1扭力杆的化学成分分析在断裂扭力杆上取样，利用ARLiSpark8860型直读光谱仪分析其化学成分，其主要化学成分见表1。从表1可知，Cr未达到GB/T1222弹簧钢中50CrV要求，Mn、V等元素含量偏下限。表1 扭力杆化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of torsion rod（wt%）项目GB/T1222检测值C0.460.540.54Si0.170.370.24Mn0.500.800.52Cr0.801.100.78V0.100.200.11Ni0.350.10Cu0.250.057P0.0250.022S0.0200.003 91.2扭力杆宏观断口分析扭力杆断裂宏观形貌如图1所示，断裂位置位于距离端部约450 mm处，断杆平直，未发现明显弯曲变形等特征。将断口切割下来，宏观形貌如图2所示，从宏观形貌观察，断裂面与扭力杆轴线成45夹角，从断口的放射状花样推断断裂从扭力杆表面向内扩展延伸，为典型的疲劳断口形貌。疲劳源位于表面，疲劳源附近存在比较平坦的区域，该区域为疲劳扩展区，扩展区面积较小，宏观上未见明显的疲劳条带；扩展区后为瞬断区，瞬断区面积较大，并且存在较明显的放射花样。在体视显微镜观察扭力杆表面，疲劳源位置存在疤块如图2b所示，疤块的大小为7.07 mm5.78 mm。图1 扭力杆的宏观照片Fig.1 Macrograph of torsion bar（a）断口起源于表面；（b）疲劳源存在疤块缺陷图2 扭力杆断口的宏观形貌Fig.2 Macroscopic morphology of the torsion bar fracture1.3扭力杆断口微观分析利用JSM-6490LV扫描电镜对断口进行微观形貌分析，结果如图3所示。疲劳源位于表面，整个区域未发现大型夹杂物；但存在金属未融化的凝固自由面形貌，如图3a、3b所示；该区域的大小为1.67 mm0.37 mm，因为该区域存在262023年第1期袁桥军，等：50CrVA扭力杆早期疲劳断裂分析金属自由凝固面微观形貌以及疤块状宏观形貌，可以推断扭力杆进行了补焊修复处理，而该区域为补焊区。扩展区的主要微观形貌为轮胎花样与脊骨花样，如图3c所示；轮胎花样是一种擦伤的疲劳痕迹，疲劳纹形成后，裂纹面两侧有规则地反复张合，相对面上的棱角或硬的夹杂物使断面擦伤，故可认为轮胎花样为疲劳纹的一种3。在扩展区后期还可以观察到少量的疲劳辉纹。瞬断区的微观形貌主要为沿晶和准解理，还出现了少量的撕裂棱，如图3d所示。1.4金相分析从断口处截取金相试样，利用 Leica DMI8光学显微镜进行金相分析，补焊区的显微组织如图4所示。由图4可知，补焊修补区域表面存在裂纹，裂纹存在氧化和明显的脱碳现象，见图4a；补焊区域与基体组织存在明显的分界线，见图4b；在分界线附近存在细小的裂纹，见图4c；这些裂纹为疲劳载荷作用下产生的疲劳裂纹，补焊区域的组织为贝氏体+少量铁素体+少量屈氏体，见图 4d。根据 GB/T105612005 对试样进行夹杂物评级，结果为A1、B1、D1，基体组织为回火屈氏体+少量贝氏体+极少量屈氏体（图5a、5b）。1.5表面硬度检测利用TIME TH301型洛氏硬度计对断裂扭力杆表面进行硬度测量，结果显示扭力杆表面硬度偏低，见表2。2分析与讨论扭力杆在进行扭转疲劳实验时，与扭力杆呈45角的斜面承受最大正应力，与扭力杆平行和垂直的面承受最大切应力，扭力杆截面上应力分布不均匀，最外圈承受最大的剪切应力，故在疲劳循环载荷应力下，断裂开始于扭力杆表面应力集中部位。从扭力杆断裂位置来看，断裂发生在杆身光滑的位置，而非杆外形突变的位置。其外观形貌、微观形貌和金相组织都说明疲劳源位置进行了补焊修复处理。当工件因加工等原因造成表面裂纹是可以通过焊接修复的，扭力杆一般通过堆焊进行修复，补焊修复的质量是影响工件性能最重要的因素4。从断口分析来看，疲劳源区存在金属自由凝固面，说明补焊区域存在未熔合的缺陷，扩展区的轮胎花样说明该断裂具有疲劳断裂形貌，而瞬断区的韧窝体现了延性的特征；从金相分析来看，补焊区域存在裂纹，裂纹存在氧化和（a）疲劳源起源于表面；（b）疲劳源区域存在金属自凝固面；（c）扩展区微观形貌；（d）瞬断区微观形貌图3 扭力杆断口微观形貌Fig.3 Microscopic morphology of the torsion bar fracture27金 属 材 料 与 冶 金 工 程第51卷第1期脱碳等特征，说明裂纹产生于补焊之前，在热处理或者补焊过程引起脱碳现象，补焊区域与基体的过渡区域细小的疲劳裂纹也说明了补焊位置存在应力集中现象。根据上述分析，说明补焊修复质量控制不当，存在裂纹和未熔合等（a）补焊区域裂纹存在脱碳现象；（b）补焊区域与基体组织存在明显的分界线；（c）边界区域存在的细小疲劳裂纹；（d）补焊区域的微观组织图4 疲劳源的金相组织Fig.4 Metallographic structure of the fatigue source（a）夹杂物；（b）显微组织图5 基体的金相组织与夹杂物Fig.5 Metallographic structure and inclusions of the base metal表2 扭力杆不同位置表面硬度Table 2 Surface hardness of torsion rod at different positions位置测量值HRC产品设计要求HRC14824934944855064952（下转第43页）282023年第1期4结论（1）稳定高压辊磨料注、增设造球返球杂物皮带、料场干湿搭配堆料可以提高混合料造球性能，有效降低球团造球返球率。（2）球团造球返球率下降，可以减少不合格生球进入混合料中，改善造球过程，有利于提高球团矿产量。参考文献：1 傅菊英，姜涛，朱德庆.烧结球团学 M.长沙：中南工业大学出版社，1996.2 杨雪峰，姜涛，范晓慧，等.昆钢球团生产线提高生球成球率的研究与应用 J.中国冶金，2010，20（1）：30-34.3 范建军，郭宇峰，臧龙，等.高压辊磨对赤铁矿粉球团矿焙烧性能的影响 J.钢铁研究学报，2016，28（4）：16-20.4 焦景伟.邯钢期球团降低膨润土配比的实践 J.烧结球团，2012，37（4）：38-40，70.5 许宝科，胡文祥，易安南，等.高压辊磨机边料循环工艺在球团生产中的应用 J.中国冶金，2021，31（8）：49-53，59.戴鑫杰，等：降低球团造球返球率实践缺陷，在疲劳实验中，这些缺陷处存在应力集中，产生裂纹并且扩展造成扭力杆早期断裂。扭力杆调质热处理后，金相组织应该为回火屈氏体，而该断裂试样组织都出现了少量的贝氏体和屈氏体，说明在热处理淬火时未完全淬透。Mn、Cr、V等元素都能提高碳在奥氏体中的扩散激活能，降低碳的扩散速度，推迟过冷奥氏体的分解，促进低温相变5；而扭力杆这些元素都偏低，使得淬透性降低，淬火时容易出现贝氏体和屈氏体等非马氏体组织，造成表面硬度偏低（低于技术要求）。大量的资料显示，表面硬度是影响疲劳强度最重要的因素之一6，7，硬度偏低降