摘 要:20CrNiMo鋼銷軸在服役過程中軸身部位發(fā)生斷裂。采用化學(xué)成分分析、斷口分析、金 相檢驗和硬度測試等方法對銷軸斷裂原因進行了分析。結(jié)果表明:該銷軸斷裂為應(yīng)力集中條件下 的多源疲勞斷裂,銷軸軸身外表面經(jīng)激光打標后產(chǎn)生二次淬火組織、二次回火組織和結(jié)晶裂紋,在 安裝和服役載荷的共同作用下,銷軸軸身斷裂。

關(guān)鍵詞:銷軸;激光打標;結(jié)晶裂紋;應(yīng)力集中;疲勞斷裂

中圖分類號:TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)09-0062-04

在服役過程中,某公司生產(chǎn)的銷軸軸身部位發(fā) 生斷裂。該銷軸材料為20CrNiMo鋼,生產(chǎn)工藝為: 精車→滲碳淬火→磨削軸徑表面(軸身不再機加工) →軸身激光打標批次號,該銷軸服役約2個月后發(fā) 生斷裂。熱激光打標標識批次號碼的原理是:將具 有較高能量密度的激光束照射在被加工材料的表面 上,材料表面因吸收激光能量而溫度上升,并產(chǎn)生變 態(tài)、熔融、燒蝕、蒸發(fā)等現(xiàn)象,從而使表面顯示出所需 刻蝕的圖案、文字。熱激光打標標識批次號碼的優(yōu) 點是可在多種材料表面打上永久、高質(zhì)量的標記,但 這種高溫熔融、燒蝕的打標方式并不適用于高碳、高 硬度的工件表面。

為查明該銷軸斷裂的原因,筆者對該斷裂銷軸 進行取樣分析,并提出了相應(yīng)的改善措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖1為斷裂銷軸試樣宏觀形貌,斷裂位置為銷 軸非磨削加工軸身處,該處軸身外表面存在激光打 標批次號,服役過程中無與之接觸的配合件,銷軸斷 裂位置附近表面未見異常沖擊與磨損痕跡,未見明 顯塑性變形。圖2為斷裂銷軸斷口宏觀形貌,其 A, B斷口均呈銀灰色金屬光澤,與軸線約呈45°,整個 A 斷口均可觀察到明顯的貝紋線特征,貝紋線分布 方向基本平行于軸身表面,A 斷口斷裂起始于該處 軸身外表面;B斷口呈結(jié)晶狀,具有脆性斷裂特征;C 斷口垂直于軸線,受擠壓磨損而破壞,斷口有效信息 缺失。因為銷軸在服役過程中主要承受扭轉(zhuǎn)載荷, 并基于斷口的宏觀形貌特征,推測 A 斷口最先發(fā)生 開裂。

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂銷軸基體取樣進行化學(xué)成分分析,結(jié)果 如 表1所 示 ,可 見 斷 裂 銷 軸 各 元 素 含 量 均 符 合GB/T3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對20CrNiMo鋼 化學(xué)成分的要求。

1.3 斷口分析

將斷裂銷軸的斷口經(jīng)乙醇超聲清洗后,用掃描 電鏡(SEM)進行觀察,A 斷口裂紋源的 SEM 形貌 如圖3所示。由圖3可知:A 斷口的裂紋源位于軸 身外表面處,裂紋源區(qū)存在多處呈扇形的異常區(qū)域, 扇形異常區(qū)域邊緣最深約為0.17mm,呈樹枝狀圓 滑結(jié)晶形貌,與樹枝狀圓滑結(jié)晶形貌相鄰斷口為較 窄的沿晶形貌,斷口其他區(qū)域為準解理+疲勞輝紋 形貌。圖4為 A 斷口軸身批次號碼區(qū)域的SEM 形 貌,由圖4可知:A 斷口裂紋源區(qū)域軸身表面的機加 工刀痕較明顯,激光打標批次號碼的 SEM 形貌呈 圓滑結(jié)晶狀,符合金屬高溫熔融后的自由結(jié)晶形貌 特征[1],局部區(qū)域可觀察到裂紋缺陷,批次號碼打標 位置與 A 斷口裂紋源的扇形異常區(qū)域在同一位置。 表2為銷軸 A 斷口扇形異常區(qū)域的能譜分析結(jié)果, 該區(qū)域組成的元素及含量與基體基本一致,未見夾 雜類的特征元素。圖5銷軸 B 斷口的 SEM 形貌, 該區(qū)域的微觀形貌以韌窩為主。

1.4 金相檢驗

根據(jù)GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含 量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》,對銷軸試樣基體 非金屬夾雜物進行分析,可知其非金屬夾雜物級別 為:A類1.0級,D類0.5級,材料的純凈度較好[2]。

平行于銷軸 A 斷口取樣,將試樣磨拋、侵蝕后 觀察其裂紋源所在軸身表面及正常表面的顯微組 織,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:軸身批次號碼處 的顯微組織表面起伏不平,最表層組織為淺色二次 淬火馬氏體,二次淬火馬氏體組織中存在裂紋缺陷, 二次淬火馬氏體組織邊緣為深色二次回火馬氏體, 其他區(qū)域組織為細針狀馬氏體+殘余奧氏體;正常 表面顯微組織的表面起伏不平,機加工刀痕明顯,該 處表層存在深度約為10μm 的非馬氏體組織,次表 層組織為細針狀馬氏體+約10%殘余奧氏體,馬氏 體針長約為12μm,為正常的滲碳淬火組織;心部顯 微組織為低碳馬氏體+少量貝氏體+少量鐵素體。

圖7為銷軸 A 斷口裂紋源所在軸身表面及正 常表面的硬度梯度曲線,軸身表面的有效硬化層深 度為0.885mm,但其表面硬度曲線呈“V”形起伏分 布,這與批次號碼處經(jīng)二次淬火+二次回火處理有關(guān);正常表面有效硬化層深度為0.751mm,硬度梯 度曲線自然平滑,無異常起伏。

2 綜合分析

該銷軸斷裂于非磨削加工的軸身處,該處軸身 外表面存在激光打標批次號碼,銷軸 A,B斷口均與 軸線約呈45°,A 斷口為起始于軸身外表面的疲勞 斷裂,B斷口為脆性斷裂,C斷口垂直于軸線。銷軸 表面經(jīng)滲碳淬火處理,表面塑性和韌性較差,在扭轉(zhuǎn) 載荷作用下,表面與軸線成45°方向上的拉應(yīng)力最 大(等于橫截面上的最大剪應(yīng)力)。隨著服役載荷不 斷增加,因其表面的抗拉能力較差而發(fā)生開裂,開裂 沿近似45°螺旋線擴展,這與銷軸在 A,B 斷口的開 裂特征一致。結(jié)合 A,B,C 斷口的形貌可知,A 斷 口最先發(fā)生開裂,擴展至銷軸內(nèi)孔表面后,因其有效 承載面積變小,在服役載荷作用下,短時間內(nèi)先沿 B 面開裂,有效承載面積進一步減小,而銷軸心部仍保 持了較高的塑性和韌性,抗拉能力較高,抗剪切能力 變差,繼而在扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力作用下沿 C 面發(fā)生橫向脆 性斷裂。

對銷軸斷口進行 SEM 觀察后發(fā)現(xiàn),銷軸 A 斷 口的扇形異常區(qū)域邊緣的結(jié)晶斷口符合激光打標高 溫熔融結(jié)晶裂紋斷口特征,與結(jié)晶形貌斷口相鄰的 為沿晶形貌斷口,A 斷口其他區(qū)域為準解理+疲勞 輝紋形貌,符合疲勞斷口形貌特征。A 斷口的沿晶 形貌區(qū)域位于銷軸滲碳層內(nèi),因為滲碳層內(nèi)的碳元 素含量高,所以其硬度高,并且在高溫滲碳過程中晶 界往往容易受到氫損傷,因此滲碳層的疲勞裂紋往 往呈沿晶擴展特征[3]。

由金相檢驗結(jié)果可知:銷軸正常表面的機加工 刀痕明顯,正常表面的非馬氏體組織、次表層組織均 為正常的滲碳淬火組織,其由表面到心部的硬度梯度曲線平滑降低,其滲碳淬火處理工藝正常。銷軸 A 斷口裂紋源所在軸身批次號碼處的表層組織為淺 色二次淬火馬氏體,二次淬火馬氏體組織中存在裂 紋缺陷,二次淬火馬氏體組織邊緣為深色二次回火 馬氏體,遠離裂紋源區(qū)域的組織為正常的滲碳淬火 組織,說明激光打標批次號碼處存在熱損傷組織和 裂紋缺陷。銷軸 A 斷口裂紋源所在軸身批次號碼 處表面的硬度梯度曲線呈“V”形起伏分布,這與激 光高溫熔融打標造成的二次淬火+二次回火有關(guān)。

3 結(jié)論及建議

該銷軸斷裂模式為應(yīng)力集中條件下的高應(yīng)力疲 勞斷裂,其疲勞開裂起始于銷軸表面激光打標批次 號碼導(dǎo)致的結(jié)晶裂紋。該銷軸在經(jīng)滲碳淬火處理 后,軸身表面采用熱激光打標來標識批次號碼,這極 易在工件表面形成二次淬火+回火的燒傷組織,甚 至形成結(jié)晶裂紋,增加了標識位置的應(yīng)力集中系數(shù), 改變了燒傷位置的應(yīng)力分布狀態(tài),增加了其開裂風(fēng) 險,從而使工件的疲勞強度和壽命降低。

建議將激光打標位置移至軸端側(cè)面的低應(yīng)力載 荷作用區(qū)域,避免增加高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù), 降低銷軸表面的疲勞強度。采用噴墨打標方式代替 熱激光打標,減少對工件表面的熱損傷。降低銷軸 軸身表面的粗糙度,減少機加工刀痕深度,降低軸身 表面的應(yīng)力集中系數(shù),進一步降低其開裂風(fēng)險。

參考文獻:

[1] 姜錫山,趙晗.鋼鐵顯微斷口速查手冊[M].北京:機 械工業(yè)出版社,2010.

[2] 藺海榮.材料力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[3] 王榮.失效機理分析與對策[M].北京:機械工業(yè)出版 社,2020.

<文章來源 >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 9期 (pp:62-65)>