40Cr鋼礦用車軸早期斷裂失效分析

趙喜慶，祖義忠，楊光偉，宋正會(huì)

（凌源鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，遼寧朝陽(yáng)122504）

40Cr鋼礦用車軸早期斷裂失效分析

趙喜慶，祖義忠，楊光偉，宋正會(huì)

（凌源鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，遼寧朝陽(yáng)122504）

通過40Cr鋼礦用車軸在使用不足120h后即發(fā)生斷裂案例解析，經(jīng)宏觀和微觀分析表明：該軸屬于疲勞斷裂。車軸沒有經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理是造成軸斷裂的內(nèi)因；加工精度差是造成軸斷裂的外因。

車軸；調(diào)質(zhì)處理；加工精度；疲勞裂紋；失效分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.143

1 概述

車軸是礦用車的重要部件，承載著貨物及車體的全部重量，對(duì)于車軸這種在運(yùn)行中承受高頻交變載荷的重要部件，在貨物運(yùn)行中一旦斷裂，后果十分嚴(yán)重[1]。

使用φ70mm規(guī)格40Cr圓鋼生產(chǎn)的礦用車軸，在運(yùn)行120h后即發(fā)生斷裂，斷裂部位為輪座與軸頭連接處，礦用車車軸基本結(jié)構(gòu)及斷裂位置如圖1所示。礦用車車軸的主要技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)硬度217～255HB。該車軸經(jīng)下述加工工藝制作而成：下料→矯直→粗車→平頭打孔→攻絲→調(diào)質(zhì)處理→噴丸→精車→裝配。其中，軸身直徑70mm，軸頭直徑65mm。為了查明其斷裂原因，從失效斷軸入手，結(jié)合車軸加工過程等因素，查明失效的機(jī)理，并對(duì)失效原因作出分析判斷。

2 檢驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硬度檢測(cè)

布氏硬度計(jì)檢測(cè)車軸平均硬度為180HB，屬于40Cr鋼熱軋狀態(tài)硬度范圍。

圖1 車軸基本結(jié)構(gòu)和斷裂位置示意圖

2.2 宏觀分析斷軸的宏觀斷口形貌（見圖2），宏觀觀察礦用車軸斷口發(fā)現(xiàn)，整個(gè)斷口平齊，基本在垂直于軸線的同一平面內(nèi)，斷口分為兩個(gè)區(qū)域：疲勞區(qū)（B）和終斷區(qū)（C）,終斷區(qū)呈纖維狀，直徑約40mm，疲勞區(qū)斷口平滑。（A）區(qū)為車軸加工區(qū)域，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，車軸在加工過程中存在偏心現(xiàn)象，軸頭到軸身最寬處4.5mm，最窄處不足2.0mm。從斷口形態(tài)和終斷位置可以確定斷裂為多向彎曲疲勞斷裂。宏觀觀察結(jié)果表明，疲勞裂紋從斷口周邊即軸的邊緣開始向中心擴(kuò)展。

圖2 車軸斷口宏觀形貌

2.3 微觀分析

使用顯微鏡觀測(cè)其顯微組織為珠光體、網(wǎng)狀鐵素體和少量塊狀鐵素體，屬于熱軋狀態(tài)組織，表明該軸未經(jīng)過淬火加回火的調(diào)質(zhì)處理。

使用德國(guó)ZEISS EVO18掃描電子顯微鏡對(duì)裂紋的加工區(qū)、疲勞區(qū)、終斷區(qū)進(jìn)行微觀分析。在與斷口毗鄰的軸身橫截面觀察到明顯的切削刀痕及嚴(yán)重的裂紋現(xiàn)象（見圖3），由于在軸頭的根部表面存在嚴(yán)重的加工刀痕和加工造成的表面龜裂，斷裂即由這類裂紋引起，這類裂紋在彎曲交變載荷作用下直接由加工裂紋根部向縱深擴(kuò)展，造成軸疲勞斷裂[2]。對(duì)B區(qū)放大到400倍后觀察，微觀疲勞條紋清晰可見（見圖4）。終斷區(qū)為最終拉斷部分，具有典型的韌窩特征（見圖5）。

圖3 加工裂紋微觀形貌

圖4 疲勞裂紋微觀形貌

圖5 終斷區(qū)的微觀形貌

3 討論

車軸的顯微組織為珠光體、網(wǎng)狀鐵素體和少量塊狀鐵素體，說明車軸未經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，屬于熱軋狀態(tài)。非調(diào)質(zhì)處理組織中存在著較多的鐵素體相降低了材料的硬度，進(jìn)而嚴(yán)重削弱了材料的強(qiáng)度。40Cr鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理布氏硬度在217～255HB，對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度在740～870MPa；而熱軋狀態(tài)的40Cr鋼布氏硬度180HB，對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度在610MPa左右，與調(diào)質(zhì)處理后相比，抗拉強(qiáng)度降低近150MPa左右。未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理抗拉強(qiáng)度較低，是造成小車軸早期斷裂的內(nèi)因。

礦用車軸在工作狀態(tài)下，在軸頭根部將形成應(yīng)力集中。宏觀斷口分析表明，車軸在加工過程存在的偏心現(xiàn)象使軸頭根部除受到扭矩作用外，還受到切應(yīng)力的作用，這將加劇疲勞斷裂向深度方向擴(kuò)展[3]。掃描電鏡分析結(jié)果表明，軸加工質(zhì)量較差，存在明顯的刀痕和顯微裂紋，這種裂紋大體上以同心圓的形式從表面的裂紋源向內(nèi)部逐漸擴(kuò)展。裂紋源發(fā)展成為宏觀裂紋時(shí)削弱了車軸截面的有效面積，當(dāng)有效面積小到難以承受荷載時(shí)，在偶爾的振動(dòng)或沖擊下，即發(fā)生突然斷裂形成終斷區(qū)[4]。疲勞區(qū)的表面光滑是由于疲勞裂紋兩邊的表面在循環(huán)應(yīng)力作用下，時(shí)而分開時(shí)而壓緊，相互研磨過程中形成的。小車軸的加工質(zhì)量較差是造成車軸疲勞斷裂的外因。

4 結(jié)論

1）斷軸具有疲勞斷裂的特征，屬于明顯的疲勞斷裂事故。

2）車軸沒有經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，其強(qiáng)度和韌性明顯偏低。礦用車軸工作環(huán)境惡劣，在承受較大載荷的情況下極易發(fā)生斷裂，因此，在制造過程中一定要按照技術(shù)要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

3）車軸存在加工刀痕和明顯的偏心現(xiàn)象，在偏心現(xiàn)象產(chǎn)生交變切應(yīng)力的作用下，刀痕處的微裂紋易形成疲勞斷裂的裂紋源。

【1】周建斌.機(jī)車車軸疲勞問題分析與對(duì)策[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2008，31(2)：5-7.

【2】孫智，錢永康.45鋼渣漿泵主軸早期疲勞斷裂分析[J].金屬熱處理，2000（5）：32-34.

【3】李文成.機(jī)械裝備失效分析[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

【4】姜錫山，趙晗.鋼鐵顯微斷口速查手冊(cè)[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Analysis on Early-Stage Fracture Failure of Mining Axle Made of 40Cr Steel

ZHAO Xi-qing，ZU Yi-zhong，YANG Guang-wei，SONG Zheng-hui
(Technology Center of Lingyuan Iron&Steel Co.Ltd.,Chaoyang 122504,China)

The mining axle made of40Cr steel fractured after being used for less than120hours.Macro and micro analysis shows that the axle fractured because of fatigue.The axle has not experienced quenching and tempering treatment,which is the internal cause.The poor machining accuracy is the external cause.

axle;quenching and tempering treatment;machining accuracy;fatigue cracks;failure analysis

TH133.2

A

1007-9467（2016）11-0093-02

2016-10-12

趙喜慶（1972～），男，內(nèi)蒙古察右前旗人，工程師，從事優(yōu)特鋼新產(chǎn)品開發(fā)研究。