一般采用抗側滾扭桿裝置調節軌道車輛安全運行所需的抗側滾剛度，以滿足車輛運行所需的脫軌系數和柔性系數要求[1]。扭桿軸作為抗側滾扭桿裝置的主要受力部件，其性能在很大程度上決定了整個抗側滾裝置的安全性。某型抗側滾扭桿軸材料為52CrMoV4鋼，棒材兩端鐓粗，扭桿軸中間部分噴丸。扭桿軸的主要生產工藝流程為：原材料（鋼廠）→來料檢測→下料→端部鐓粗→粗加工→標識→熱處理→矯直→精加工→磁粉檢測→噴丸→裝配→油漆。在某型號52CrMoV4鋼扭桿軸的熱處理后矯直工序，該扭桿軸頻繁發生斷裂現象，同一熱處理爐斷裂多根扭桿軸，且斷口相似。為查明斷裂原因，筆者對斷裂扭桿軸進行了一系列理化檢驗，并結合生產工藝過程對斷裂原因進行分析，最后提出改進建議，以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   斷口分析

將扭桿軸斷口切下，用超聲波清洗后，對斷口進行宏觀觀察。斷口宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：扭桿軸斷裂位置為桿件未鐓粗部位，斷口未見明顯的塑性變形，斷面比較平坦，可良好吻合，斷口粗糙呈顆粒狀，可見細小的放射狀條紋；放射狀條紋的收斂位置為斷裂源處，見圖1b）橢圓形區域。 

圖  1  斷口宏觀形貌

在斷口處截取試樣，將試樣至于掃描電鏡下觀察，結果如圖2所示。由圖2可知：斷裂源處呈沿晶斷裂特征[見圖2a）]；晶粒較粗大，晶界分離面上有細小的韌窩[見圖2b）]；放射區域呈準解理斷裂形貌[見圖2c）]，準結理為不連續的斷裂過程，各隱藏裂紋連接處時常發生較大的塑性變形，形成所謂撕裂棱，或形成微孔聚合的韌窩，有時甚至形成韌窩帶[2]。扭桿軸斷裂性質為脆性斷裂，斷裂源位于軸的表面，缺口和缺陷常是斷裂的起源處，有明顯的放射狀條紋，說明斷裂過程是急速的。 

圖  2  斷口SEM形貌

1.2   金相檢驗

扭桿軸材料（52CrMoV4鋼）含Mn、Cr、Ni等合金元素，合金元素的主要作用是提高鋼的淬透性和綜合力學性能[3]。52CrMoV4鋼有優良的淬透性，通過淬火加中溫回火，可以獲得均勻的回火屈氏體，以實現其良好的綜合性能。在斷裂扭桿軸表面和心部、斷裂源處分別截取1塊試樣進行金相檢驗，另外在正常扭桿軸相應位置截取1塊晶粒度試樣進行對比。 

斷裂扭桿軸的微觀形貌如圖3所示。由圖3可知：斷裂扭桿軸表面試樣的顯微組織為回火屈氏體和少量碳化物[見圖3a）]，為正常的調質組織，表面脫碳層深度為0.44 mm[見圖3b）]；斷裂源處試樣磨面上局部有晶界融化和融化孔洞[見圖3c）]，說明斷裂扭桿軸斷裂源處局部出現過燒；斷裂源處試樣晶粒度為5.0級[見圖3d）]，正常扭桿軸晶粒度為9.5級[見圖3e）]，一般情況下，晶粒尺寸越小，材料的強度和硬度越高，韌性越好[4-6]；心部組織為回火屈氏體和少量馬氏體[見圖3f）]，說明回火不夠充分，馬氏體未完全轉變。 

圖  3  斷裂扭桿軸的微觀形貌

1.3   力學性能測試

在斷裂扭桿軸1/2半徑處縱向截取1根拉伸試樣和3根沖擊試樣，在扭桿軸橫斷面截取洛氏硬度測試試樣，對試樣進行力學性能測試，結果如表1所示。由表1可知：斷裂扭桿軸的抗拉強度、洛氏硬度均高于技術要求，斷裂扭桿軸的斷后伸長率、沖擊吸收能量均低于技術要求。 

1.4   原材料分析

對斷裂扭桿軸同批次材料進行化學成分、低倍組織、淬透性、非金屬夾雜物分析，結果如表2~5所示。由表2~5可知：斷裂扭桿軸同批次材料的化學成分、低倍組織、淬透性、非金屬夾雜物等均符合材料技術要求。 

2.   綜合分析

扭桿軸斷裂性質為脆性斷裂，斷口宏觀形貌呈放射狀（或人字紋），微觀形貌呈解理（或準解理）狀的脆性斷口，其與材料本身、工藝過程引起的本質脆性有關，或由高溫、低溫等引起，因此對該類脆性斷裂原因進行分析時，要從材料本身、工藝過程和使用條件等方面去分析診斷。 

從材料本身來看，扭桿軸原材料的化學成分、非金屬夾雜、淬透性、低倍組織均符合52CrMoV4鋼的技術要求，說明扭桿軸原材料符合要求。 

從工藝過程分析，扭桿軸斷裂源位于軸的表面，微觀形貌呈沿晶斷裂特征。沿晶斷裂的產生原因除環境介質作用外，還有3種情況：① 晶界沉淀相引起的沿晶斷裂；② 雜質元素在晶界偏聚引起的沿晶斷裂；③ 金屬過熱、過燒引起的沿晶斷裂。斷裂扭桿軸表面顯微組織為回火屈氏體和少量碳化物，是正常的調質組織；斷裂源處存在局部過燒，因為斷裂源位于桿件未鐓粗部位，而鐓粗加熱為局部加熱，所以判定過燒是在熱處理過程中產生的。產生過熱、過燒的主要原因是淬火加熱溫度過高。在實際生產中，為達到節能增效的作用，采取了提高爐溫的快速加熱方式。斷裂源處局部晶界融化和融化孔洞是過燒的表現，扭桿軸存在過燒，從而導致材料脆化，增大了脆性斷裂的風險。 

淬火時由于溫度過高，溫差增大，熱應力相應增大，同時還增強了材料的淬透性，使組織應力相應提高，增加了總變形量[7]。由于回火時間不充分，心部組織有少量馬氏體存在，硬度偏高導致組織存在內應力，故材料韌性降低。不良熱處理導致材料產生脆性組織、淬火裂紋，淬火后消除應力不及時或不充分等都能引起脆性斷裂[8]。回火時間的基本原則是保證工件燒透和組織轉變充分，以及應力得到消除。鋼的硬度隨著回火時間的延長而下降。扭桿軸熱處理時變形量增大導致矯直時所施加的力增大，同時回火不足使材料有內應力存在，材料韌性降低，最終導致矯直時扭桿軸發生脆性斷裂。 

3.   結論與建議

（1）該批次扭桿軸生產時的熱處理工藝不當。淬火時加熱溫度過高導致材料過熱、過燒，材料脆化；回火時間不充分使組織未完全轉變、應力未得到消除，導致材料的韌性降低；不規范的熱處理工藝導致扭桿軸變形量增大，矯直時所施加力增大，從而導致扭桿軸斷裂。 

（2）建議制定合理的熱處理工藝制度，并嚴格遵守，定期核查加熱爐溫度。首先，嚴格控制好淬火溫度，生產中如果采用提高爐溫的方法來縮短加熱時間、提高生產效率或節約能源，應將溫度控制在不使材料出現過熱、過燒的范圍內；其次，嚴格控制好回火時間，以保證工件燒透和組織轉變充分，同時消除內應力。此外，還應提高熱處理爐內溫度的均勻性，注意保護工件表面，防止或減少表面脫碳。 

文章來源——材料與測試網