排風(fēng)門轉(zhuǎn)軸斷裂分析

王大臣，逯連文，劉曉琴，趙愛民，姜娜

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 吉林長(zhǎng)春 130062

1 序言

某火車上空調(diào)排風(fēng)門氣缸和傳動(dòng)軸脫落。經(jīng)檢查是排風(fēng)門轉(zhuǎn)軸斷裂。該轉(zhuǎn)軸在工作過(guò)程中承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，且理論上承受應(yīng)力較小。轉(zhuǎn)軸采用材料為SUS304的不銹鋼棒。本文主要對(duì)該轉(zhuǎn)軸斷裂進(jìn)行分析。

2 宏觀檢查

1）廢排風(fēng)門轉(zhuǎn)軸斷裂位置位于其一側(cè)角焊縫的焊腳附近，如圖1所示。

圖1 廢排風(fēng)門轉(zhuǎn)軸斷裂位置

2）轉(zhuǎn)軸的斷口存在一定的損傷，裂紋源有多處，斷口為多源疲勞斷口。從位置上區(qū)分，一部分裂紋源位于焊縫金屬上（見圖2上半部分），另一部分裂紋源位于不銹鋼棒上的焊縫熱影響區(qū)內(nèi)（見圖2下半部分）。

圖2 轉(zhuǎn)軸焊縫一側(cè)的斷口

3）焊縫在轉(zhuǎn)軸一側(cè)的焊腳處存在焊接咬邊缺陷，咬邊缺陷內(nèi)存在宏觀裂紋，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)軸側(cè)焊腳處的咬邊及宏觀裂紋

3 掃描電鏡斷口觀察

1）在掃描電鏡下觀察斷口，先開裂區(qū)域可見疲勞輝紋，如圖4a所示；最后斷裂區(qū)為韌窩，如圖4b所示。

圖4 掃描電鏡下斷口形貌

2）在掃面電鏡下觀察焊縫一側(cè)的斷口邊緣，可見焊縫蓋面上存在網(wǎng)狀的顯微裂紋，如圖5所示。

圖5 焊縫蓋面上存在網(wǎng)狀的顯微裂紋

3）在焊縫金屬的蓋面上觀察到已經(jīng)開裂的宏觀裂紋，裂紋與上述顯微裂紋相連，并且形態(tài)和分布與上述顯微裂紋一致，如圖6所示。

圖6 焊縫金屬的蓋面上的宏觀裂紋

4）在另一側(cè)焊縫的焊腳處可見腐蝕產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)彎曲的裂口，如圖7a所示。將圖7a局部放大可見腐蝕產(chǎn)生的凹坑及奧氏體晶粒，如圖7b所示。

圖7 裂口宏觀形貌

5）將有腐蝕凹坑的部位進(jìn)一步放大，可見晶粒表面和晶界都已經(jīng)被腐蝕，晶粒間存在腐蝕產(chǎn)物，如圖8所示。對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物中含有氮元素。

圖8 腐蝕區(qū)域的放大高倍的形貌

6）在掃描電鏡下觀察焊縫熱影響區(qū)一側(cè)斷口邊緣，可見不銹鋼棒上存在沿棒材縱向分布的多條原始缺陷，裂紋源位于該原始缺陷處，如圖9所示。

圖9 焊縫熱影響區(qū)一側(cè)斷口邊緣

4 金相檢驗(yàn)

在排風(fēng)門轉(zhuǎn)軸橫斷面上截取金相試樣，沿棒材縱向分布的原始缺陷如圖10所示，其深度為0.14mm，金相檢驗(yàn)表明該表面缺陷具有軋制折疊缺陷特征。轉(zhuǎn)軸材料的金相組織如圖11所示，金相組織為含有孿晶的奧氏體組織，晶粒細(xì)小[1]。

圖10 棒材表面缺陷（500×）

圖11 棒材橫截面金相組織（500×）

5 材質(zhì)分析

排風(fēng)門轉(zhuǎn)軸取樣的材質(zhì)化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，可見其化學(xué)成分不符合SUS304不銹鋼的材質(zhì)要求，碳含量超上限，鉻含量低于下限值。

6 拉伸試驗(yàn)

在排風(fēng)門轉(zhuǎn)軸上取力學(xué)性能拉伸試樣，結(jié)果表明：轉(zhuǎn)軸材料的斷后伸長(zhǎng)率檢測(cè)值顯著低于其標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值，斷面收縮率略低于其下限值，見表2。

7 結(jié)果分析與討論

從斷口上看，斷口上有多條疲勞棱線，在掃描電鏡下觀察到疲勞輝紋，因此該斷口為多源疲勞斷口。按照裂紋源位置不同可以分為兩部分，一部分位于焊縫熱影響區(qū)附近，另一部分位于焊縫金屬上。下面對(duì)兩個(gè)位置的裂紋源分別進(jìn)行分析：

（1）分析位于熱影響區(qū)附近的裂紋源 不銹鋼棒金相檢測(cè)結(jié)果為含有孿晶的奧氏體組織，晶粒細(xì)小。

排風(fēng)門轉(zhuǎn)軸的化學(xué)成分不合格，碳含量高于標(biāo)準(zhǔn)值，鉻含量低于標(biāo)準(zhǔn)值。這會(huì)影響到材料的力學(xué)性能。從轉(zhuǎn)軸的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果也可以看出，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都很高，而斷后伸長(zhǎng)率和斷后收縮率卻不符合要求。

觀察位于熱影響區(qū)附近的裂紋源，在掃描電鏡下可見裂紋源自沿棒材縱向分布的長(zhǎng)條形原始缺陷處。通過(guò)金相檢測(cè)可知，該長(zhǎng)條形缺陷與表面存在一定夾角，深度為0.14mm，為軋制折疊缺陷。因此，熱影響區(qū)附近的裂紋是不銹鋼棒表面存在軋制折疊缺陷及化學(xué)成分不合格引起的。

（2）分析焊縫金屬處的裂紋源 焊縫在轉(zhuǎn)軸一側(cè)的焊腳處存在焊接咬邊缺陷，咬邊缺陷內(nèi)存在宏觀裂紋，但從整個(gè)斷口及裂紋的形貌看，咬邊不是引起轉(zhuǎn)軸斷裂的主要原因[2]。

表1 排風(fēng)門轉(zhuǎn)軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 排風(fēng)門轉(zhuǎn)軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果

掃描電鏡觀察顯示，焊縫蓋面上存在網(wǎng)狀顯微裂紋。而焊縫金屬的蓋面上觀察到已經(jīng)開裂宏觀裂紋與上述顯微裂紋相連，并且形態(tài)和分布與上述顯微裂紋一致，說(shuō)明裂紋的形成與顯微裂紋有關(guān)；另一側(cè)焊縫的焊腳處可見腐蝕產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)彎曲的裂口、凹坑及奧氏體晶粒，說(shuō)明焊縫曾經(jīng)在酸性環(huán)境下受到較嚴(yán)重的腐蝕；能譜分析顯示腐蝕產(chǎn)物中含有氮元素。通常情況下，硝酸是不銹鋼鈍化膏的主要成分。由此可以推斷出，不銹鋼焊后鈍化工序操作不當(dāng)，導(dǎo)致焊縫金屬表面過(guò)度腐蝕而產(chǎn)生顯微裂紋，并在循環(huán)應(yīng)力的作用下進(jìn)一步發(fā)展成為宏觀裂紋，直至轉(zhuǎn)軸斷裂。

8 結(jié)束語(yǔ)

不銹鋼棒表面存在軋制折疊缺陷及化學(xué)成分不合格是不銹鋼棒在焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋的主要原因。

焊后鈍化工序操作不當(dāng)，導(dǎo)致焊縫金屬表面由于過(guò)度腐蝕而產(chǎn)生顯微裂紋，在循環(huán)應(yīng)力的作用下發(fā)展成為宏觀裂紋，是導(dǎo)致排風(fēng)門轉(zhuǎn)軸在焊縫金屬處開裂的主要原因。