摘 要:某萬向軸十字銷在機車運行過程中發生斷裂,采用宏觀觀察、化學成分分析、硬度測試、 金相檢驗、掃描電鏡分析等方法對其斷裂原因進行了分析。結果表明:不良的淬火馬氏體組織及大 尺寸的 MnS夾雜降低了十字銷倒角部位的抗疲勞性能,在交變應力的作用下,十字銷發生疲勞 斷裂。

關鍵詞:十字銷;疲勞斷裂;MnS夾雜;淬火馬氏體

中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)08-0040-03.

十字銷是機車內燃機上萬向軸的重要組成部 件,十字銷斷裂會給鐵路行車帶來一定的安全隱患。 某機 車 十 字 銷 發 生 斷 裂。十 字 銷 材 料 為 優 質 20CrMnTi合金鋼,熱處理工藝為滲碳淬火處理。 筆者采用一系列理化檢驗方法分析其斷裂原因,以 防止該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對斷裂的十字銷進行超聲波清洗,清洗后的斷 口宏觀形貌如圖1所示。經肉眼觀察,十字銷斷面 有兩處主裂紋源、兩處次裂紋源(見圖1中a區),且 斷面上分布有疲勞條帶。十字銷的倒角處有多條寬 度不一致的裂紋,裂紋從倒角平臺向倒角圓弧過渡 區延伸(見圖2)。據此初步判斷:十字銷在使用過程中受彎曲交變應力作用。在彎曲交變應力的作用下,兩條主裂紋從兩邊向中間擴展(見圖1中b區)。 進一步觀察可發現圖1上部的主裂紋源區較為清 晰,上部的主裂紋擴展速率較下部的主裂紋擴展速 率快;兩條次裂紋則因受力較小,沒有留下清晰的裂 紋擴展路徑,圖1中c區為瞬斷區。依據裂紋擴展 路徑初步判斷,該十字銷的斷裂源出現在倒角部位, 斷裂方式為多源疲勞斷裂[1]。

1.2 化學成分分析

采用直讀光譜儀對十字銷試樣進行化學成分分 析,結果如表1所示。由表1可知:其化學成分滿足 GB/T3077—2015《合金結構鋼》的要求。

1.3 金相檢驗

在斷裂部位取金相試樣,將其置于光學顯微鏡 下觀察,發 現 十 字 銷 倒 角 區 域 有 一 處 深 度 約 為 1.05mm的鋸齒狀裂紋,且試樣表面有較多大尺 寸、長條狀的 MnS夾雜(見圖3~4)。用體積分數 為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后觀察其顯微組織,可 知表面滲碳層的深度約為1.46mm。試樣表層組織 由淺入深依次為:回火馬氏體+少量屈氏體(深度為 0.45mm)(見圖5)、淬火馬氏體+少量屈氏體(深度 為0.55mm)(見圖6)、貝氏體+馬氏體(深度為 0.55mm)(見圖7)?；w組織為馬氏體+貝氏體 +鐵素體(見圖8)。

1.4 硬度測試

對十字銷試樣的橫截面進行硬度測試,結果顯 示 非 滲 碳 層 的 洛 氏 硬 度 較 為 均 勻,其 值 為 28.1~31.2HRC。對試樣進行熱酸酸洗后發現,其 橫截面無明顯的缺陷,基體組織較為均勻。

對金相試樣進行硬度測試,結果如圖9所示。 由圖9可知:試樣由淺入深的硬度呈先增大后減小 的趨勢,在距表面0.55mm 處達到最大值,為729 HV,然后硬度逐漸降低并趨于穩定。硬度的變化 與表層顯微組織的變化相對應,表層出現的不良淬 火馬氏體組織可能是由回火不充分導致的[2]。

1.5 掃描電鏡(SEM)分析

十字銷斷口裂紋源區的SEM形貌如圖10所示。 由圖10可知:在裂紋源區,有較多高低不平的疲勞條 帶小平面或小坑,小平面較光滑。隨著疲勞裂紋的擴 展,條帶間距變小,條帶及小坑高低不平程度加劇(見 圖11)。圖12為十字銷瞬斷區SEM 形貌,斷口呈準 解理斷口形貌特征,十字銷快速整體斷裂。

2 綜合分析

由斷裂十字銷的宏觀形貌可知,十字銷發生多源疲勞斷裂。十字銷在使用過程中主要受彎曲交變 應力的作用。在交變應力的作用下,倒角部位承受 的載荷最大[3],材料在硫化物與基體間的界面處開 裂,形成微裂紋源。十字銷表層滲碳層中淬火馬氏 體組織具有較大的強度和硬度、較大的組織內應力 及缺口敏感性等特點,不良組織可能是由淬火后回 火不充分引起的。因此,十字銷斷裂的主要原因是 其內部存在較多大尺寸的 MnS夾雜和表層存在不 良的淬火馬氏體組織。倒角部位產生的少量應變會 使倒角附近的大尺寸 MnS夾雜與鋼基體界面間形 成孔洞,在應力作用下,表層硬脆的淬火馬氏體組織 加快了微裂紋源的形成[4]。在裂紋擴展階段,疲勞 條帶的間距較小,條帶高低不平,這表明裂紋擴展速 率較慢;當裂紋擴展到一定尺寸時,材料承載面積縮 小且難以承受應力,導致裂紋快速擴展,最終造成十 字銷整體斷裂。

3 結論及建議

十字銷的斷裂形式為多源疲勞斷裂,其表層存 在的淬火馬氏體組織和材料中較多的大尺寸、長條 狀 MnS夾雜為微裂紋源的形成創造了條件,在材料 組織薄弱處形成裂紋。建議提高鋼水的潔凈度及改 進熱處理工藝,以減少鋼中大尺寸夾雜物,避免出現 不良顯微組織。

參考文獻:

[1] 劉嘉偉,王天劍,劉禹炯.油動機底座連接螺栓斷裂原 因[J].理化檢驗(物理分冊),2020,56(10):39-41, 46.

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[3] 賀凱林,金麗萍.40CrNiMo鋼主軸斷裂原因分析[J]. 理化檢驗(物理分冊),2017,53(9):668-670,674.

[4] 謝文婷,祁紅璋,任蓓蕾,等.某風電機組行星齒輪斷 齒原因[J].理化檢驗(物理分冊),2022,58(3):58- 62.

<文章來源-材料與測試網-理化檢驗－物理分冊 > 2023年 > 8期>