摘 要:某万向轴十字销在机车运行过程中发生断裂,采用宏观观察、化学成分分析、硬度测试、 金相检验、扫描电镜分析等方法对其断裂原因进行了分析。结果表明:不良的淬火马氏体组织及大 尺寸的 MnS夹杂降低了十字销倒角部位的抗疲劳性能,在交变应力的作用下,十字销发生疲劳 断裂。

关键词:十字销;疲劳断裂;MnS夹杂;淬火马氏体

中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)08-0040-03.

十字销是机车内燃机上万向轴的重要组成部 件,十字销断裂会给铁路行车带来一定的安全隐患。 某机 车 十 字 销 发 生 断 裂。十 字 销 材 料 为 优 质 20CrMnTi合金钢,热处理工艺为渗碳淬火处理。 笔者采用一系列理化检验方法分析其断裂原因,以 防止该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对断裂的十字销进行超声波清洗,清洗后的断 口宏观形貌如图1所示。经肉眼观察,十字销断面 有两处主裂纹源、两处次裂纹源(见图1中a区),且 断面上分布有疲劳条带。十字销的倒角处有多条宽 度不一致的裂纹,裂纹从倒角平台向倒角圆弧过渡 区延伸(见图2)。据此初步判断:十字销在使用过程中受弯曲交变应力作用。在弯曲交变应力的作用下,两条主裂纹从两边向中间扩展(见图1中b区)。 进一步观察可发现图1上部的主裂纹源区较为清 晰,上部的主裂纹扩展速率较下部的主裂纹扩展速 率快;两条次裂纹则因受力较小,没有留下清晰的裂 纹扩展路径,图1中c区为瞬断区。依据裂纹扩展 路径初步判断,该十字销的断裂源出现在倒角部位, 断裂方式为多源疲劳断裂[1]。

1.2 化学成分分析

采用直读光谱仪对十字销试样进行化学成分分 析,结果如表1所示。由表1可知:其化学成分满足 GB/T3077—2015《合金结构钢》的要求。

1.3 金相检验

在断裂部位取金相试样,将其置于光学显微镜 下观察,发 现 十 字 销 倒 角 区 域 有 一 处 深 度 约 为 1.05mm的锯齿状裂纹,且试样表面有较多大尺 寸、长条状的 MnS夹杂(见图3~4)。用体积分数 为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀后观察其显微组织,可 知表面渗碳层的深度约为1.46mm。试样表层组织 由浅入深依次为:回火马氏体+少量屈氏体(深度为 0.45mm)(见图5)、淬火马氏体+少量屈氏体(深度 为0.55mm)(见图6)、贝氏体+马氏体(深度为 0.55mm)(见图7)。基体组织为马氏体+贝氏体 +铁素体(见图8)。

1.4 硬度测试

对十字销试样的横截面进行硬度测试,结果显 示 非 渗 碳 层 的 洛 氏 硬 度 较 为 均 匀,其 值 为 28.1~31.2HRC。对试样进行热酸酸洗后发现,其 横截面无明显的缺陷,基体组织较为均匀。

对金相试样进行硬度测试,结果如图9所示。 由图9可知:试样由浅入深的硬度呈先增大后减小 的趋势,在距表面0.55mm 处达到最大值,为729 HV,然后硬度逐渐降低并趋于稳定。硬度的变化 与表层显微组织的变化相对应,表层出现的不良淬 火马氏体组织可能是由回火不充分导致的[2]。

1.5 扫描电镜(SEM)分析

十字销断口裂纹源区的SEM形貌如图10所示。 由图10可知:在裂纹源区,有较多高低不平的疲劳条 带小平面或小坑,小平面较光滑。随着疲劳裂纹的扩 展,条带间距变小,条带及小坑高低不平程度加剧(见 图11)。图12为十字销瞬断区SEM 形貌,断口呈准 解理断口形貌特征,十字销快速整体断裂。

2 综合分析

由断裂十字销的宏观形貌可知,十字销发生多源疲劳断裂。十字销在使用过程中主要受弯曲交变 应力的作用。在交变应力的作用下,倒角部位承受 的载荷最大[3],材料在硫化物与基体间的界面处开 裂,形成微裂纹源。十字销表层渗碳层中淬火马氏 体组织具有较大的强度和硬度、较大的组织内应力 及缺口敏感性等特点,不良组织可能是由淬火后回 火不充分引起的。因此,十字销断裂的主要原因是 其内部存在较多大尺寸的 MnS夹杂和表层存在不 良的淬火马氏体组织。倒角部位产生的少量应变会 使倒角附近的大尺寸 MnS夹杂与钢基体界面间形 成孔洞,在应力作用下,表层硬脆的淬火马氏体组织 加快了微裂纹源的形成[4]。在裂纹扩展阶段,疲劳 条带的间距较小,条带高低不平,这表明裂纹扩展速 率较慢;当裂纹扩展到一定尺寸时,材料承载面积缩 小且难以承受应力,导致裂纹快速扩展,最终造成十 字销整体断裂。

3 结论及建议

十字销的断裂形式为多源疲劳断裂,其表层存 在的淬火马氏体组织和材料中较多的大尺寸、长条 状 MnS夹杂为微裂纹源的形成创造了条件,在材料 组织薄弱处形成裂纹。建议提高钢水的洁净度及改 进热处理工艺,以减少钢中大尺寸夹杂物,避免出现 不良显微组织。

参考文献:

[1] 刘嘉伟,王天剑,刘禹炯.油动机底座连接螺栓断裂原 因[J].理化检验(物理分册),2020,56(10):39-41, 46.

[2] 黄丽荣,汤宏智.40Cr钢汽车半轴断裂失效分析[J]. 机械工程材料,2009,33(5):73-75,79.

[3] 贺凯林,金丽萍.40CrNiMo钢主轴断裂原因分析[J]. 理化检验(物理分册),2017,53(9):668-670,674.

[4] 谢文婷,祁红璋,任蓓蕾,等.某风电机组行星齿轮断 齿原因[J].理化检验(物理分册),2022,58(3):58- 62.

<文章来源-材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2023年 > 8期>