40Cr钢稳定杆螺栓，在汽车后桥上起到支撑稳定杆的作用，并以锁紧螺母将稳定杆固定。稳定杆螺栓的加工工艺流程为：锯床下料→热加工锻造→调质处理→杆部搓丝→镀锌处理。在服役过程中，稳定杆螺栓在锁紧螺母的作用下，产生一个拉伸的纵向应力。随着工件的服役承载，稳定杆产生较强的牵引，螺栓受到向右的侧向拉应力。整车试行过程中，螺栓的杆部发生早期失效断裂。该螺栓的使用周期极短，持续时间不足24h。断裂部位位于图示的A处，与杆部纵向近似垂直的横向断裂（见图1）。
1.宏观检测
目测断口的左侧一半以上面积的区域色泽较浅，右侧部位的色泽较深。断口宏观检测，图示左侧为同心圆的多条圆弧推进线，这是疲劳扩展的断口特征形貌，同心圆的圆心为疲劳源。断口的右侧呈放射状快速断裂特征，右侧边缘的倾斜部位为终断区剪切唇（见图2）。
图1 螺栓断裂部位（实物）
图2 螺栓失效断口（实物）
3.化学分析
断裂失效件截取样块进行化学成分检测，见表1。
4.力学性能
库存产品抽取3件进行力学性能试验检测，见表2。
表2 抽样力学性能检测
5.金相检验
用扫描电镜对断口进行检查，在裂纹源附近可见大量放射状条纹。放射状条纹的收敛处，明显指出裂纹源位于稳定杆螺栓的表面。工件的表面有许多断续分布的大小不一的凹槽及剥落坑，在裂纹源左侧有两块较大的并排分布的剥落坑，剥落坑的下面可见多源台阶条纹，这种多源台阶条纹属于应力集中的典型特征。在放射状条纹的突起处，明显分布数量众多的颗粒状产物，这种细小的颗粒状产物，经检测确认为A类非金属夹杂物，属于典型的硫化物夹杂。（见图3）。心部调质区域的断口检查，扫描电镜观察结果显示为韧性断裂，图片显示以韧窝及撕裂棱的特征形貌为主。在韧窝的底部同样存在颗粒状及条状硫化物夹杂（见图4）。
图3 裂纹源断口形貌
图4 心部断口形貌
在试样的表层存在一条细微的倾斜裂纹，裂纹两侧有较严重的脱碳层。裂纹间隙内明显可见凸出的圆弧状晶粒自由表面，裂纹内为断续分布的孔洞，这是组织疏松和气泡的特征形态。综合以上组织特征可以断定，该裂纹为原材料表层皮下气泡引起的折叠裂纹（见图5）。折叠裂纹的表层附近，有一条与工件表面垂直的微裂纹，裂纹扩展呈周期往复的曲折状穿晶形态，这种形式的穿晶微裂纹，属于疲劳扩展的特征形貌（见图6）。
图5 折叠裂纹全貌（40×）
图6 折叠裂纹开口（400×）
样块左侧的表层相距不足10mm长度范围内，断续分布数十条表面微裂纹，裂纹沿表层圆弧状凹坑底部开裂。根据金相组织检查初步推断，表层的凹坑是工件表面镀锌过程中，酸洗时间过长留下的腐蚀坑。表面微裂纹的深度在0.10～0.20mm。表层密集分布的黑色点状组织是表面镀锌层，白亮色块状组织为脱碳层中的铁素体组织。经测量镀锌层为0.04mm，脱碳层为0.10mm，其中全脱碳层为0.04mm，半脱碳层为0.06mm（见图7）。样块右侧的表层灰黑色镀锌层更加明显。右侧的脱碳层深度与左侧的脱碳层相近，心部组织仍然是保持马氏体位向的索氏体组织（见图8）。
图7 左侧表层组织（400×）
图8 右侧表层组织（400×）
断口开裂初期呈平直的穿晶状态，这种穿晶形态属于疲劳扩展的特征形貌。表层及次表层组织为调质状态的马氏体位向索氏体，马氏体位向的组织较为粗大（见图9）。裂纹扩展后期，断口呈凹凸不平的沿晶断裂特征。沿粗大断口的凸出晶粒表面，断续分布大小不等的圆弧凹坑，这是典型的沿晶韧窝断口形貌，属于过热特征组织。断口附近有非金属夹杂物熔融的孔洞，表明原始轧制或锻造温度过高，硫化物夹杂已经熔化为孔洞，显著降低了材料强度，增加材料脆性（见图10）。
图9 裂纹穿晶组织（400×）
图10 裂纹沿晶组织（400×）
在样块的右侧裂纹扩展终断区，晶粒呈脱落状态，晶粒间硫化物夹杂熔融的晶间熔洞组织更为明显。由于晶间熔洞的形成，晶间结合力显著降低，材料组织脆性增大，终断区断口受挤压产生沿晶脆断（见图11）。裂纹终断区的表层处纤维状组织较为严重，脱碳层区域铁素体已经被拉成长条状。外表层的纤维组织是断口延伸的塑性变形层，图示上部更加严重的纤维组织是断口挤压的变形层。近表层附近的脱碳层的存在，强度急剧降低，韧性显著增加，断口撞击挤压处显示出塑性变形的特征。
图11 脆性断口组织（400×）
图12 挤压变形组织（400×）
6.结论分析
稳定杆螺栓断裂，是由于外表层受到螺母拧紧的纵向拉伸应力，以及稳定杆向右侧牵引的侧向应力，于是在工件的右侧增加了双向的拉应力。表面疲劳裂纹形成于拉应力处，产生在强度最低的缺陷部位，工件的表面脱碳层显著降低材料的表面强度。在服役承载的交变应力作用下，由较深的腐蚀坑底部引发了应力集中产生疲劳裂纹源。疲劳裂纹沿同心圆的弧形推进线向前延伸，向稳定杆螺栓杆部中心部位扩展。当应力增大到峰值时，便在断口中心部位形成多源台阶的应力集中开裂，并呈放射状条纹迅速扩展至断裂。轧制或锻造的过热组织晶粒粗大，晶间结合力显著降低。非金属夹杂物熔融的晶间熔洞组织，进一步降低材料强度，增加材料脆性，最终导致工件在极短的时间内，由疲劳扩展至沿晶脆性断裂。
皮下气泡形成的折叠裂纹也会产生疲劳扩展的裂纹源，较深的裂纹造成很高的应力集中，甚至可以使裂纹迅速扩展至断裂。只是由于皮下气泡折叠裂纹未处于拉应力最强的部位，裂纹没有继续扩展的推动力。如果该裂纹位于拉应力中心，失效断裂的时间将会更短。
第一作者：焦东风，合肥美桥汽车传动及底盘系统有限公司
第二作者：金林奎，东莞市星仁杰金属材料科技有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
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