45B鋼鏈軌銷(xiāo)軸斷裂原因分析

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(1. 徐工集團(tuán) 江蘇徐州工程機(jī)械研究院, 徐州 221004; 2. 徐工集團(tuán) 高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 徐州 221004)

45B鋼鏈軌銷(xiāo)軸斷裂原因分析

張東亞1,2,李毅1,2,馮坤1,2,朱鵬霄1,2,徐國(guó)1,2

(1. 徐工集團(tuán) 江蘇徐州工程機(jī)械研究院, 徐州 221004; 2. 徐工集團(tuán) 高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 徐州 221004)

某45B鋼鏈軌銷(xiāo)軸在使用過(guò)程中發(fā)生早期斷裂。通過(guò)化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、有效硬化層深度測(cè)定、金相檢驗(yàn)、斷口分析等方法，對(duì)銷(xiāo)軸的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：銷(xiāo)軸斷裂機(jī)制為準(zhǔn)解理斷裂+韌性斷裂的混合型斷裂；在使用過(guò)程中，45B鋼材料中的球狀氧化物剝落留下微孔洞形成裂紋源，在彎曲應(yīng)力的作用下，裂紋源迅速放射擴(kuò)展，造成銷(xiāo)軸早期斷裂。

45B鋼； 銷(xiāo)軸； 斷裂； 解理； 韌窩； 氧化物

鏈軌銷(xiāo)軸是工程機(jī)械履帶總成上的重要零件之一，承擔(dān)著鏈軌節(jié)之間的連接，使用過(guò)程中承受一定的彎曲應(yīng)力[1]。45B鋼是在45鋼的基礎(chǔ)上加入硼元素得到的合金鋼，微量硼元素的加入可以顯著提高碳鋼的淬透能力，使得45B鋼比45鋼具有更好的淬透性和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。45B鋼通常在調(diào)質(zhì)態(tài)使用，用于制造軸類(lèi)等零件[2-3]。

某工程機(jī)械履帶鏈軌節(jié)銷(xiāo)軸采用45B鋼制造，銷(xiāo)軸直徑為38 mm，其加工過(guò)程為：下料→粗車(chē)→調(diào)質(zhì)→精車(chē)→精磨→中頻感應(yīng)淬火→低溫回火→拋光→防銹入庫(kù)。銷(xiāo)軸技術(shù)要求為：表面硬度為52～60 HRC，心部硬度為26～38 HRC；有效硬化層深度為7～14 mm。該銷(xiāo)軸在使用過(guò)程中發(fā)生早期斷裂，如圖1所示。為查找其斷裂原因，指導(dǎo)銷(xiāo)軸生產(chǎn)，筆者對(duì)斷裂銷(xiāo)軸進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和分析。

圖1 斷裂銷(xiāo)軸外觀Fig.1 Appearance of the fractured pin shaft

1 理化檢驗(yàn)

1.1化學(xué)成分分析

在靠近銷(xiāo)軸斷口橫截面處取樣，利用火花直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，斷裂銷(xiāo)軸的化學(xué)成分滿足GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》[4]對(duì)45B鋼化學(xué)成分的要求。

表1 銷(xiāo)軸的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the pin shaft (mass fraction) %

1.2硬度測(cè)試

根據(jù)GB/T 230.1-2009的要求[5]，利用THRP-150D型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)對(duì)銷(xiāo)軸的表面硬度及心部硬度進(jìn)行測(cè)試，銷(xiāo)軸表面及心部各測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果取平均值，如表2所示。由結(jié)果可見(jiàn)，銷(xiāo)軸的表面及心部硬度均符合設(shè)計(jì)要求，硬度均勻，波動(dòng)較小。

表2 銷(xiāo)軸洛氏硬度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Testing results of Rockwell hardness of the pin shaft HRC

1.3有效硬化層深度測(cè)定

圖2 銷(xiāo)軸表面至心部的硬度分布Fig.2 Distribution of hardness from surface to center of the pin shaft

在靠近銷(xiāo)軸斷口區(qū)域切取橫斷面試樣，磨拋后利用維氏硬度計(jì)從試樣的表面向心部進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，測(cè)試第1點(diǎn)距銷(xiāo)軸表面距離為0.2 mm，后續(xù)測(cè)試點(diǎn)間距為0.5 mm，測(cè)試載荷為9.8 N，在試樣上測(cè)試3處位置，表面至心部的硬度變化曲線如圖2所示。根據(jù)GB/T 5617-2005[6]的要求測(cè)定銷(xiāo)軸感應(yīng)淬火的有效硬化層深度，由于技術(shù)要求中表面最低硬度為52.0 HRC(544 HV1)，因此確定用于測(cè)定有效硬化層深度的極限硬度為435 HV1。被測(cè)3處位置的有效硬化層深度分別約為9.00，9.36，9.54 mm，均符合技術(shù)要求中有效硬化層深度為7～14 mm的規(guī)定。

1.4金相檢驗(yàn)

在靠近銷(xiāo)軸斷口處沿徑向取3個(gè)不同位置的金相試樣，取樣位置如圖3所示，磨拋后使用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，采用倒置金相顯微鏡對(duì)銷(xiāo)軸不同位置的顯微組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出：銷(xiāo)軸心部顯微組織為回火索氏體+少量白色塊狀物，對(duì)白色塊狀物進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，硬度約為560 HV0.3，推測(cè)白色塊狀物為隱針馬氏體；過(guò)渡區(qū)域顯微組織為板條馬氏體+少量淬火托氏體；邊緣區(qū)域顯微組織為板條馬氏體+少量殘余奧氏體。從不同區(qū)域的顯微組織可見(jiàn)，銷(xiāo)軸表面經(jīng)歷了中頻感應(yīng)淬火工藝，在感應(yīng)淬火前銷(xiāo)軸進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理，但在感應(yīng)淬火加熱過(guò)程中銷(xiāo)軸心部組織部分奧氏體化形成奧氏體，由于45B鋼具有良好的淬透性，在隨后的冷卻過(guò)程中形成了隱針馬氏體[7]。

圖3 銷(xiāo)軸取樣位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of sampling positions of the pin shaft

1.5斷口分析

1.5.1 宏觀分析

圖5為銷(xiāo)軸斷口的宏觀形貌。斷口截面直徑約為37 mm，斷口受力點(diǎn)處可見(jiàn)少許塑性變形。裂紋源位于銷(xiāo)軸內(nèi)部靠近邊緣區(qū)域，裂紋產(chǎn)生后呈放射狀向四周擴(kuò)展，銷(xiāo)軸斷口心部粗糙不平，呈纖維狀。瞬斷區(qū)靠近銷(xiāo)軸受力點(diǎn)，有折疊變形特征，這是因?yàn)殇N(xiāo)軸在使用過(guò)程中受到類(lèi)似于簡(jiǎn)支梁彎曲的彎曲應(yīng)力，在銷(xiāo)軸斷裂之前發(fā)生了少許塑性變形。

圖4 銷(xiāo)軸斷口附近的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the area near the fracture of the pin shaft:a) center; b) transition region; c) edge

圖5 銷(xiāo)軸斷口的宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of fracture surface of the pin shaft:a) vertical view; b) side view

1.5.2 微觀分析

將銷(xiāo)軸斷口放入酒精中使用超聲波清洗后，在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，斷口微觀形貌如圖6所示。由圖6a)可見(jiàn)，裂紋源區(qū)存在剝落孔洞，直徑約0.15 mm，孔洞內(nèi)可見(jiàn)微小的夾雜物殘余；由圖6b)可見(jiàn)，裂紋擴(kuò)展區(qū)1(宏觀斷口心部纖維狀區(qū))呈明顯的韌窩形貌，并伴有少量撕裂棱；由圖6c)可見(jiàn)，裂紋擴(kuò)展區(qū)2(宏觀斷口靠近表面的放射區(qū))存在河流花樣。從裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌特征可見(jiàn)，銷(xiāo)軸的斷裂機(jī)制為韌性斷裂+準(zhǔn)解離斷裂的混合型斷裂。對(duì)孔洞內(nèi)的夾雜物殘余顆粒進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖7所示，可知夾雜物由氧、硅、鈣、錳、鐵等元素組成，氧元素含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為44%，結(jié)合孔洞形狀可推測(cè)該處可能存在球狀氧化物夾雜。

圖6 銷(xiāo)軸斷面的微觀形貌Fig.6 Micro morphology of fracture surface of the pin shaft:a) crack source; b) crack extending zone 1; c) crack extending zone 2

圖7 夾雜物能譜分析結(jié)果Fig.7 Analysis results of energy spectrum of inclusions: a) energy spectrum; b) semi-quantitative analysis histogram

2 分析與討論

從化學(xué)成分分析結(jié)果可知，銷(xiāo)軸材料符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)45B鋼的技術(shù)要求。銷(xiāo)軸的表面硬度及心部硬度測(cè)試結(jié)果也符合技術(shù)要求。通過(guò)金相檢驗(yàn)可知，銷(xiāo)軸表面顯微組織為板條馬氏體+少量殘余奧氏體，判斷銷(xiāo)軸經(jīng)歷了中頻感應(yīng)淬火處理。使用維氏硬度計(jì)測(cè)得銷(xiāo)軸有效硬化層深度為9 mm左右，符合技術(shù)要求，心部顯微組織為回火索氏體+少量白色塊狀隱針馬氏體，推測(cè)在感應(yīng)淬火加熱過(guò)程中銷(xiāo)軸心部組織部分奧氏體化，由于45B鋼具有良好的淬透性，在隨后冷卻過(guò)程中形成了少量隱針馬氏體。

宏觀斷口觀察發(fā)現(xiàn)，銷(xiāo)軸裂紋源位于銷(xiāo)軸內(nèi)部靠近邊緣區(qū)域，裂紋形成后呈放射狀向四周擴(kuò)展，斷口心部粗糙，呈纖維狀，斷口微觀形貌可見(jiàn)河流花樣特征及韌窩形貌，說(shuō)明銷(xiāo)軸的斷裂過(guò)程是準(zhǔn)解理斷裂和韌性斷裂的混合型斷裂。通過(guò)能譜分析發(fā)現(xiàn)，裂紋源孔洞內(nèi)有氧化物夾雜殘余，推測(cè)裂紋源區(qū)的孔洞是使用過(guò)程中球狀氧化物顆粒受到擠壓力碎裂脫落形成的。材料中夾雜物的存在破壞了基體的連續(xù)性，在外力作用下形變時(shí)，位錯(cuò)易在夾雜物與基體的交界堆積處形成應(yīng)力集中[8-10]。氧化物夾雜屬于脆性?shī)A雜，當(dāng)應(yīng)力集中到一定程度時(shí)，氧化物夾雜破碎，形成微小裂紋，成為斷裂的起點(diǎn)[11]。在裂紋源區(qū)微觀形貌中觀察到較大尺寸的孔洞，其直徑約為0.15 mm，此為銷(xiāo)軸在使用過(guò)程中發(fā)生早期斷裂的主要原因。

3 結(jié)論及建議

45B鋼銷(xiāo)軸的斷裂機(jī)制為準(zhǔn)解理斷裂和韌性斷裂的混合型斷裂，銷(xiāo)軸材料中含有球狀脆性氧化物，球狀氧化物碎裂剝落形成裂紋源，在彎曲應(yīng)力的作用下，裂紋源迅速放射擴(kuò)展，造成銷(xiāo)軸早期斷裂。建議對(duì)銷(xiāo)軸進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),以檢出導(dǎo)致銷(xiāo)軸斷裂的宏觀夾雜物。

[1] 張艷春,李春海.節(jié)距190 mm鏈軌節(jié)模鍛成形研究[J].鍛壓技術(shù),2012,37(6):8-9.

[2] 童志博,彭其春,沈冬冬,等.硼在鋼中的作用及應(yīng)用[J].中國(guó)冶金,2013,23(5):12-16.

[3] 戈文英,翟正龍,張海霞,等.工程機(jī)械履帶鏈軌銷(xiāo)軸用45B鋼的研制[J].山東冶金,2011,33(4):50-52.

[4] GB/T 3077-2015 合金結(jié)構(gòu)鋼[S].

[5] GB/T 230.1-2009 金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺)[S].

[6] GB/T 5617-2005 鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測(cè)定[S].

[7] 夏立芳.金屬熱處理工藝學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2012.

[8] 曹睿,李廣,周珍珍,等.16 MnR鋼三點(diǎn)彎曲解理斷裂起裂源的類(lèi)型[J].機(jī)械工程材料,2011,35(10):8-11.

[9] 李毅,朱鵬霄,陳波.油缸活塞桿斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(11):824-826.

[10] 唐海中,黃春紅,吳彩芬.圓柱螺旋壓縮彈簧斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016,52(12):900-902.

[11] 楊川,高國(guó)慶,崔國(guó)棟.金屬材料零部件失效分析基礎(chǔ)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2012.

AnalysisonFractureReasonsofthe45BSteelPinShaftUsedforChainTracks

ZHANGDongya1,2,LIYi1,2,FENGKun1,2,ZHUPengxiao1,2,XUGuo1,2

(1. Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute, Xuzhou Construction Machinery Group, Xuzhou 221004; 2. State Key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Advanced Construction Machinery, Xuzhou Construction Machinery Group, Xuzhou 221004)

The 45B steel pin shaft used for chain tracks fractured early during use. The fracture reasons of the pin shaft were analyzed by means of chemical composition analysis, hardness testing, depth measurement of effective hardened layer, metallographic examination and fracture analysis. The results show that: the fracture type of the pin shaft was mixed of quasi-cleavage fracture and ductile fracture; the micro pores caused by peeling off of the spheroidal oxides formed the crack source during use; under the action of bending stress, the crack source expanded rapidly and resulted in the early fracture of the pin shaft.

45B steel; pin shaft; fracture; cleavage; dimple; oxide

10.11973/lhjy-wl201709016

2016-12-11

張東亞(1988-)，男，工程師，碩士，主要從事耐磨技術(shù)、理化檢驗(yàn)方面的工作，dongya33@126.com

TG115.2

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：1001-4012(2017)09-0683-04