硬化軸斷裂的失效分析

黃佳建 張?jiān)?曾志斌

(廣船國際計(jì)量檢測中心)

0 前言

20CrMnTi是性能良好的滲碳鋼，淬透性較好，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面、堅(jiān)韌的心部和較高的低溫沖擊韌性。廣泛用于軸類、活塞類零配件以及汽車、飛機(jī)上各種特殊零件部位。

某公司20CrMnTi硬化軸表面經(jīng)過滲碳處理，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不足兩周，軸轉(zhuǎn)角直角位處發(fā)生斷裂，如圖1所示。為分析其斷裂原因，制定預(yù)防措施，避免此類事件再次發(fā)生，截取失效硬化軸樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測、斷口分析、硬度測試和金相檢驗(yàn)。

圖1 失效硬化軸形貌

1 理化檢測

1.1 化學(xué)成分分析

在斷裂硬化軸上切取化學(xué)分析試樣，采用美國熱電ARL3460型火花直讀光譜儀分析硬化軸的化學(xué)成分，如表1所示。對照GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中20CrMnTi的技術(shù)要求，該硬化軸化學(xué)成分符合規(guī)范要求。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

1.2 力學(xué)性能檢測

截取斷裂硬化軸縱向樣品，測試其室溫拉伸、沖擊性能，測試結(jié)果如表2所示，對照GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》[1]標(biāo)準(zhǔn)中20CrMnTi的技術(shù)要求，該硬化軸斷后伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收能量均符合規(guī)范要求，但其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度未達(dá)到規(guī)范要求。

表2 力學(xué)性能測試結(jié)果

1.3 斷口分析

觀察失效硬化軸斷口，該斷口表現(xiàn)較典型的旋轉(zhuǎn)疲勞斷口形貌，包含疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)。

疲勞源區(qū)位于軸轉(zhuǎn)角處的直角位，為一個(gè)以疲勞核心為焦點(diǎn)的光滑、致密區(qū)域，該區(qū)域擴(kuò)展速度緩慢，在反復(fù)張開、閉合過程中斷面逐漸被磨光。中部裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)明顯的海灘狀疲勞條紋，垂直于疲勞裂紋擴(kuò)展方向，逐步向四周推進(jìn)呈現(xiàn)弧形。瞬時(shí)斷裂區(qū)是疲勞達(dá)到臨界尺寸發(fā)生快速破斷區(qū)域，此斷口瞬斷區(qū)面積較小，斷裂載荷相對較小，為脆性斷口，如圖2所示。

圖2 失效硬化軸斷口形貌

1.4 硬度測試

截取失效軸縱向截面樣品，分別測試其表面硬化層(A區(qū))、裂紋邊緣(B區(qū))、距離裂紋邊緣10mm處(C區(qū))的洛氏硬度，如圖3所示，測試結(jié)果如表3所示。失效軸硬化層表面及硬化區(qū)域硬度均大于45HRC，達(dá)到產(chǎn)品表面硬度的設(shè)計(jì)要求，但裂紋邊緣處硬度僅為(27.5~29.8)HRC。

圖3 軸縱截面硬度測試位置示意圖

表3失效軸樣品洛氏硬度測試結(jié)果(HRC)

表4 失效軸樣品非金屬夾雜物檢測結(jié)果

1.5 金相檢驗(yàn)

在失效軸裂紋源區(qū)域截取縱截面樣品，經(jīng)磨拋處理，未侵蝕，在蔡司AXIOObserver.A1m金相顯微鏡下觀察，非金屬夾雜物含量按GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)際檢驗(yàn)A法評定，級別如下：

材料心部區(qū)域存在較多的硫化物夾雜，如圖5和圖6所示，同時(shí)在失效樣品的擴(kuò)展裂紋內(nèi)部和材料心部均發(fā)現(xiàn)少量尺寸較小、形狀規(guī)則的氮化鈦夾雜，如圖4和圖6所示。

圖4 裂紋邊緣處非金屬夾雜物形貌 100×

圖5 心部非金屬夾雜物形貌100×

圖6 心部非金屬夾雜物 200×

樣品經(jīng)4%的硝酸酒精溶液侵蝕后，在金相顯微鏡下觀察，可見軸圓柱面有一層深度約1mm的滲碳硬化層，未完全覆蓋至轉(zhuǎn)角位，自斷口處量起約有1mm區(qū)域未經(jīng)硬化處理，如見圖7所示，微觀金相顯示與硬度測試結(jié)果相吻合。斷口近表面處金相組織為回火索氏體+少量鐵素體，如圖8所示，心部金相組織為回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體，如圖9所示。

圖7 裂紋邊緣顯微組織 25×

圖8 近表面處顯微組織 500×

圖9 心部顯微組織 500×

2 分析與討論

通過以上檢測結(jié)果可知，硬化軸的化學(xué)成分、斷后伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收能量均符合規(guī)范要求，但屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度未達(dá)到規(guī)范要求。20CrMnTi為中淬透性滲碳鋼，用于高扭力軸類時(shí)顯微組織應(yīng)為具有較高強(qiáng)度的回火馬氏體，此軸熱處理工藝不佳，金相組織以回火索氏體為主，存在貝氏體和少量鐵素體，導(dǎo)致強(qiáng)度無法滿足技術(shù)要求。

硬化軸在進(jìn)行表面滲碳處理時(shí)未覆蓋轉(zhuǎn)角位，此處硬度值由約53HRC驟降至約29HRC。觀察失效軸斷口，呈現(xiàn)典型的旋轉(zhuǎn)疲勞斷口形貌，可見軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受較高的扭力，轉(zhuǎn)角處應(yīng)力最為集中，此處硬度值急劇下降，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的45HRC，易引發(fā)應(yīng)力開裂。

斷口擴(kuò)展裂紋內(nèi)部和材料心部均發(fā)現(xiàn)少量尺寸較小、形狀規(guī)則的氮化鈦夾雜，硬而脆的氮化鈦夾雜起到割裂金屬的作用，可加速裂紋擴(kuò)展，但氮化鈦夾雜物數(shù)量不多且沒有聚集分布，故并非此軸斷裂的主要原因。

3 結(jié)論及建議

綜上所述，硬化軸材料熱處理工藝不佳，強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)要求，且在表面滲碳處理時(shí)未覆蓋轉(zhuǎn)角位，導(dǎo)致硬度急劇下降，當(dāng)軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)角位應(yīng)力集中引發(fā)疲勞開裂。建議如下：

（1）采用2次淬火+回火熱處理工藝（第1次淬火溫度880℃，第2次淬火溫度870℃，均為油冷；回火200℃，水冷或空冷），以獲得回火馬氏體組織；

（2）進(jìn)行表面滲碳硬化處理時(shí)，應(yīng)覆蓋轉(zhuǎn)角位，防止此處硬度值急劇下降；

（3）軸轉(zhuǎn)角位為應(yīng)力集中處，應(yīng)避免采用小弧度設(shè)計(jì)，建議加大此處的過渡圓弧半徑；

（4）應(yīng)在每批材料熱處理及滲碳處理后進(jìn)行抽樣檢測，確保材料性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，避免因材料質(zhì)量問題導(dǎo)致事故發(fā)生。