20CrNiMo鋼銷軸斷裂原因

馬 赟, 唐 倩

(1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司, 常州 213011；2.中車戚墅堰機(jī)車有限公司, 常州 213011)

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(jī)加工)→軸身激光打標(biāo)批次號(hào)，該銷軸服役約2個(gè)月后發(fā)生斷裂。熱激光打標(biāo)標(biāo)識(shí)批次號(hào)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(biāo)標(biāo)識(shí)批次號(hào)碼的優(yōu)點(diǎn)是可在多種材料表面打上永久、高質(zhì)量的標(biāo)記，但這種高溫熔融、燒蝕的打標(biāo)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(duì)該斷裂銷軸進(jìn)行取樣分析，并提出了相應(yīng)的改善措施。

1 理化檢驗(yàn)

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(biāo)批次號(hào)，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(gè)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?yàn)殇N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。

圖1 斷裂銷軸宏觀形貌

圖2 斷裂銷軸斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂銷軸基體取樣進(jìn)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/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)20CrNiMo鋼化學(xué)成分的要求。

表1 斷裂銷軸化學(xué)成分 %

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(jìn)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0.17 mm，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?yàn)闇?zhǔn)解理+疲勞輝紋形貌。圖4為A斷口軸身批次號(hào)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(jī)加工刀痕較明顯，激光打標(biāo)批次號(hào)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(hào)碼打標(biāo)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。

表1 銷軸A斷口扇形異常區(qū)域的能譜分析結(jié)果 %

圖3 銷軸A斷口裂紋源SEM形貌

圖4 銷軸A斷口軸身批次號(hào)碼區(qū)域SEM形貌

圖5 銷軸B斷口SEM形貌

1.4 金相檢驗(yàn)

根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，對(duì)銷軸試樣基體非金屬夾雜物進(jìn)行分析，可知其非金屬夾雜物級(jí)別為：A類1.0級(jí)，D類0.5級(jí)，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(hào)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(xì)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(jī)加工刀痕明顯，該處表層存在深度約為10 μm的非馬氏體組織，次表層組織為細(xì)針狀馬氏體+約10%殘余奧氏體，馬氏體針長約為12 μm，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6 銷軸A斷口裂紋源所在軸身表面及正常表面的顯微組織形貌

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0.885 mm，但其表面硬度曲線呈“V”形起伏分布，這與批次號(hào)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0.751 mm，硬度梯度曲線自然平滑，無異常起伏。

圖7 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

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(biāo)批次號(hào)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(kuò)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(kuò)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(shí)間內(nèi)先沿B面開裂，有效承載面積進(jìn)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(duì)銷軸斷口進(jìn)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(biāo)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?yàn)闇?zhǔn)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?yàn)闈B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(kuò)展特征[3]。

由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知：銷軸正常表面的機(jī)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(hào)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(yuǎn)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(biāo)批次號(hào)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(hào)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(biāo)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(biāo)批次號(hào)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(biāo)來標(biāo)識(shí)批次號(hào)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(biāo)識(shí)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(xiǎn)，從而使工件的疲勞強(qiáng)度和壽命降低。

建議將激光打標(biāo)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(qiáng)度。采用噴墨打標(biāo)方式代替熱激光打標(biāo)，減少對(duì)工件表面的熱損傷。降低銷軸軸身表面的粗糙度，減少機(jī)加工刀痕深度，降低軸身表面的應(yīng)力集中系數(shù)，進(jìn)一步降低其開裂風(fēng)險(xiǎn)。