在隨車吊機作業過程中,某集裝箱吊裝落地就位后,機械臂與液壓桿連接處銷軸突然斷裂,機械臂脫離液壓桿,一端砸向集裝箱,造成集裝箱頂部塌陷。銷軸斷裂成兩截,斷裂位置大概位于銷軸的中間處（見圖1）,其中一截已脫落,另一截掛在機械臂上。作業時隨車吊機未出現超載、超范圍等違規操作。銷軸材料為42CrMoA鋼,斷裂銷軸直徑約為100 mm,長度約為280 mm,整根銷軸長度為553 mm。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該銷軸的斷裂原因,以避免該類問題再次發生。 

圖  1  銷軸斷裂現場

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂銷軸宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：銷軸表面及斷口上可見大量的黑色油污,斷裂位置為銷軸中間部位。 

圖  2  斷裂銷軸宏觀形貌

斷裂銷軸清洗后宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：銷軸表面锃亮,在近螺紋端處可見面積大小不一的黑色凹坑,在另一端近斷口處局部可見長短不一的環向條紋,條紋區域長度約為7 mm,環向寬度約為60 mm,其他位置未見明顯類似的環向條紋；斷口表面較為平整,斷口外表層存在環繞一圈的平整臺階,臺階寬度大小不一,臺階區域為硬化層區域；斷口可見兩處面積大小不一的背擴紋,呈雙源疲勞斷口形貌特征,疲勞源1位于背擴紋區域面積較大的一側,疲勞源2位于對面背擴紋區域面積較小的一側,疲勞源分別從銷軸兩側萌生并由外向內擴展,最終斷裂區位于偏向一側的銷軸內部；兩側背擴紋面積大小不一,表明銷軸兩側受到的應力大小不一致,裂紋擴展的時間也不一致[1]；疲勞擴展區平整,最終斷裂區凹凸不平。 

圖  3  斷裂銷軸清洗后宏觀形貌

將斷裂銷軸表面置于體視顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：近螺紋端處可見黑色凹坑,黑色凹坑的產生原因為表面鍍鉻層剝落；疲勞源2處銷軸表面周向區域有不規則的環形條紋,疲勞源1處未見不規則的環向條紋。 

圖  4  斷裂銷軸表面體視顯微鏡下形貌

將銷軸斷口置于體視顯微鏡下觀察,結果如圖5所示。由圖5可知：疲勞源1附近硬化層起裂源位于銷軸表面邊緣處,起裂源區平整,裂紋分別向兩邊沿著圓周方向呈人字形擴展,最終匯集于銷軸對側的硬化層處,裂紋終點可見高低不平的臺階。 

圖  5  銷軸斷口體視顯微鏡下形貌

1.2   化學成分分析

在銷軸斷口附近截取試樣,對試樣進行清洗、干燥、打磨處理,采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對42CrMoA鋼的要求。 

采用X射線熒光光譜儀對銷軸外表面鍍層進行化學成分分析,結果如表2所示。由表2可知：表面鍍層主要含有Cr元素。 

1.3   金相檢驗

分別在銷軸疲勞源1位置附近、疲勞源2位置附近及心部截取縱截面試樣,對試樣進行鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕處理,利用光學顯微鏡觀察試樣。 

疲勞源1位置附近顯微組織形貌如圖6所示。由圖6可知：試樣由表面向心部的組織依次為白亮層（鍍鉻層）、回火馬氏體（淬硬層組織）、回火索氏體+少量塊狀鐵素體（基體組織）[2]；白亮層厚度分布較為均勻,約為24 μm。 

圖  6  疲勞源1位置附近顯微組織形貌

疲勞源2位置附近顯微組織形貌如圖7所示。由圖7可知：試樣由表面向心部的組織依次為白亮層（鍍鉻層）、回火馬氏體（淬硬層組織）、回火索氏體+少量塊狀鐵素體（基體組織）；白亮層厚度較為均勻,約為24 μm。 

圖  7  疲勞源2位置附近顯微組織形貌

銷軸心部顯微組織形貌如圖8所示,可見試樣心部的組織為回火索氏體+少量塊狀鐵素體。 

圖  8  銷軸心部顯微組織形貌

1.4   硬度測試

在銷軸橫截面外取樣,將試樣打磨、拋光后,對試樣進行布氏硬度測試,結果如表3所示。 

分別在疲勞源1和疲勞源2區域附近截取試樣,將試樣打磨、拋光后,對試樣進行維氏硬度測試,結果如表4,5所示。 

1.5   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在銷軸斷口處截取試樣,將試樣清洗、干燥后,將試樣置于掃描電鏡下觀察,結果如圖9所示。由圖9可知：試樣淬硬層區起裂源位于銷軸外表面邊緣處,該區域斷面平整；起裂源區靠近斷口邊緣處受到明顯的擠壓、磨損等損傷；淬硬層區裂紋擴展區可見裂紋呈人字形快速擴展形貌特征,裂紋沿銷軸四周呈環狀擴展；斷面可見韌窩形貌,局部可見沿晶開裂形貌[3]。 

圖  9  銷軸斷口處SEM形貌

疲勞源1位于銷軸環形裂紋根部,該區域斷面平整,裂紋由邊緣向心部擴展,靠近斷口邊緣處存在明顯的擠壓、磨損等損傷,疲勞源1表面可見非金屬附著物（見圖10）。對該附著物進行能譜分析,可知附著物主要為含有Si、Fe元素的氧化物,還含有少量Al、Ca、Na等元素（見圖11）。 

圖  10  疲勞源1處SEM形貌

圖  11  疲勞源1處表面附著物能譜分析結果

疲勞源2同樣位于銷軸環形裂紋根部,該區域斷面平整,裂紋由邊緣向心部擴展,靠近斷口邊緣存在明顯的擠壓、磨損等損傷（見圖12）。裂紋擴展區形貌以韌窩形貌為主,裂紋快速擴展區以解理形貌為主,斷面上可見大量平行的圓弧貝擴紋,呈低周疲勞斷口形貌特征[見圖13a）,13b）]。最后瞬斷區為扇形解理形貌,呈快速撕裂形貌特征[見圖13c）,13d）]。 

圖  12  疲勞源2處SEM形貌

圖  13  裂紋擴展區和最后瞬斷區SEM形貌

對銷軸斷口附近表面進行掃描電鏡分析,結果如圖14所示。由圖14可知：斷口附近表面可見平行的條狀凹坑,為表面鍍鉻層剝落所致；條狀凹坑底部較為平整,鍍鉻層脫落后呈片層狀形貌特征,斷面上局部伴生二次裂紋；其他區域表面鍍鉻層完好,未見明顯脫落及凹坑,局部可見結疤狀鍍層附在表面；相鄰的鍍鉻層間可見明顯的帶狀溝槽,表面局部可見點狀凹坑。 

圖  14  銷軸斷口附近表面SEM形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：銷軸母材的化學成分分析結果符合標準要求,銷軸表面主要成分為Cr元素；銷軸心部的布氏硬度為243.6 HBW,符合銷軸的加工工藝要求。 

銷軸表面淬硬層與心部硬度存在較大差異,心部硬度較為均勻。銷軸硬度分布情況與其加工工藝及顯微組織分布吻合。疲勞源1與疲勞源2處淬硬層硬度存在一定差異,不同位置淬硬層硬度分布不均,厚度分布也不均,淬硬層深度為1.80~2.30 mm。銷軸不同位置的淬硬層硬度及厚度分布不均導致銷軸表面的內應力分布不均[4]。淬硬層脆性較大,裂紋易向心部擴展,最終導致銷軸斷裂[5]。 

淬硬層起裂源位于銷軸外表面邊緣處,裂紋快速向兩側擴展,最后發生環向一周開裂現象。斷口上可見兩處面積大小不一的背擴紋,呈雙源疲勞斷口形貌特征,疲勞源分別從兩側次表面邊緣處萌生,并由外部向內部擴展,最終斷裂區位于偏向一側的銷軸內部。 

銷軸外表面硬化層（鍍鉻層+淬硬層）為最先開裂位置,起裂源位于銷軸外表面邊緣處,裂紋呈人字形快速擴展形貌特征,裂紋沿著銷軸四周呈環狀擴展,發生一次性周向開裂現象。兩處疲勞源區均位于銷軸次表面邊緣處,裂紋由邊緣向心部擴展,裂紋擴展區以韌窩形貌為主,裂紋快速擴展區以解理形貌為主,斷面上可見大量平行的圓弧貝擴紋,呈低周疲勞斷口形貌特征[6]。最后瞬斷區為扇形解理形貌,為快速撕裂形貌特征。靠近斷口邊緣處存在明顯的擠壓、磨損等損傷,符合疲勞斷口形貌特征。。 

在工作過程中,銷軸主要承受循環彎曲載荷,最大彎曲應力應在銷軸中間位置一側的表面上。銷軸表面鍍鉻層和淬硬層均具有較高的強度和硬度,但韌性較差。鍍鉻層間的帶狀溝槽、剝落后形成的凹坑及剝落過程中產生的伴生二次裂紋均會在銷軸外表面形成應力集中區,裂紋在銷軸外表面應力集中處萌生,沿淬硬層周向向兩邊快速擴展。周向裂紋在交變載荷作用下,沿作用力方向擴展,形成雙源疲勞開裂。當銷軸剩余有效強度不足時,銷軸發生一次性快速斷裂。 

3.   結論

銷軸斷裂原因為：在運行過程中,銷軸外表面應力集中處萌生裂紋,裂紋沿淬硬層周向向兩邊快速擴展,并匯合導致表面一周開裂；在交變載荷作用下,周向裂紋沿作用力方向擴展,形成雙源疲勞開裂；當銷軸剩余有效強度不足時,銷軸發生一次性快速斷裂。 

文章來源——材料與測試網