貨車減振器銷軸早期斷裂原因分析

摘要：貨車減振器銷軸在研發(fā)階段路試試驗，出現(xiàn)早期斷裂失效，通過對銷軸材料的理化、力學(xué)性能測試及斷口宏觀、微觀形貌觀察，分析了減振器銷軸斷裂主要原因。結(jié)果表明：斷裂形式為雙向彎曲疲勞斷裂，斷口呈現(xiàn)低應(yīng)力高軸疲勞特征，銷軸材料為45鋼，基體硬度未達到設(shè)計要求，心部金相組織為珠光體+鐵素體，非回火索氏體，說明材料調(diào)質(zhì)處理過程中心部并未淬透，致使銷軸基體硬度偏低，疲勞強度下降，加之焊接時焊渣濺落銷軸表面，導(dǎo)致表面二次加熱組織轉(zhuǎn)變硬度降低，形成軟點，疲勞源在此形成。后結(jié)合45鋼與40Cr淬透性及焊接性的對比，確定銷軸選材不合適，銷軸材料更換為40Cr后，未出現(xiàn)斷裂故障。

關(guān)鍵詞：雙向彎曲疲勞；45鋼；淬透性；40Cr；疲勞強度；二次加熱

某純電廂式貨車試驗階段，在石塊路況進行車輛強化路循環(huán)試驗時，左后減振器上固定點發(fā)生撕裂，拆解發(fā)現(xiàn)減振器上端固定銷軸發(fā)生斷裂，導(dǎo)致固定點撕裂，車輛累計行駛里程4480km。此車減振器銷軸為新開發(fā)零部件，研發(fā)人員急需確認(rèn)銷軸斷裂模式及銷軸質(zhì)量狀況。

斷裂件檢測及失效原因分析

1.設(shè)計技術(shù)要求

減振銷軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度32～39HRC，表面無涂層及特殊處理，綜合性能及顯微組織符合國標(biāo)要求。另外，銷軸裝配時與材質(zhì)為10鋼的其他部件焊接。

2.宏觀斷口

圖1a所示為斷裂銷軸一部分，圖1b所示為斷口宏觀形貌，圖1c所示為完整銷軸示意圖，斷裂位置在φ20mm桿部上靠近焊接部位。斷口上分兩個區(qū)域，A區(qū)平坦光滑占整個斷口的絕大部分，有一處明顯的臺階；B區(qū)臺階較多，表面存在較多應(yīng)力集中點。兩個區(qū)域內(nèi)均可以清晰看到貝紋線，疲勞源位于表面，開裂始于A區(qū)，后B區(qū)疲勞開裂。

3.微觀斷口

圖2所示分別為A區(qū)疲勞源形貌、疲勞源高倍形貌、A區(qū)擴展區(qū)形貌及B區(qū)擴展區(qū)形貌，疲勞源未見材料缺陷，A、B區(qū)擴展區(qū)微觀形貌均可見疲勞輝紋。結(jié)合宏觀形貌分析，A區(qū)表面先開裂向內(nèi)部擴展，隨著開裂面積增大，銷軸承受外力的面積減小，導(dǎo)致B區(qū)外圓表面承受應(yīng)力增大，B區(qū)表面開始開裂，最后兩側(cè)裂紋匯合銷軸完全斷裂。

4.材料化學(xué)成分分析

在銷軸無螺紋桿部取樣，采用直讀光譜儀進行化學(xué)成分分析，材料為45鋼，符合設(shè)計材料規(guī)定（見表1）。

5.硬度測試

在銷軸三處部位取樣，如圖1c位置1、位置2、位置3處分別為M12mm×1.25mm螺紋處端面、φ12mm光桿處橫截面及φ20mm光桿處橫截面，用洛氏硬度計在圓柱形試樣橫截面的1/4直徑位置測試洛氏硬度 ，結(jié)果見表2。設(shè)計硬度要求32～39HRC，螺紋處端面硬度符合，其余部位硬度均低于設(shè)計要求。

6.金相分析

金相組織檢測位置與洛氏硬度檢測位置相同，圖3a所示為螺紋端面（位置1）橫截面金相組織，圖3b為φ12mm光桿處（位置2）橫截面金相組織，圖3c為φ20mm斷裂處縱截面金相組織，圖3d為斷口A區(qū)疲勞源處縱截面金相組織。螺紋端面金相組織從表面到芯部均為回火索氏體，是調(diào)質(zhì)處理正常組織。φ12mm光桿處靠近表面金相組織為為回火索氏體+鐵素體，芯部金相組織為珠光體+鐵素體+回火索氏體，為調(diào)質(zhì)不良組織。A區(qū)斷裂源處存在約0.2mm深度二次加熱區(qū)，二次加熱區(qū)組織從表及里為珠光體+鐵素體" "鐵素體+回火索氏體。A區(qū)其它部位距表面2mm 范圍內(nèi)為回火索氏體+少量鐵素體，距表面大于2mm的金相組織為珠光體+鐵素體。說明整個銷軸在調(diào)質(zhì)熱處理過程中均未完全淬透，且直徑越大淬透深度越小。

7.總結(jié)及結(jié)論

1）減振銷軸斷裂類型為低應(yīng)力高周雙向彎曲疲勞斷裂，受力狀態(tài)符合正常服役受力狀態(tài)。疲勞源位于銷軸表面焊渣濺落處，焊渣溫度較高，濺落銷軸表面造成表面局部區(qū)域二次加熱，局部組織再次奧氏體化，自然冷卻形成珠光體+鐵素體組織，而非原來的回火索氏體組織，致使此區(qū)域硬度降低，形成表面軟墊，疲勞源在此形成。

2）減振銷軸材料符合設(shè)計要求，而斷裂部位心部硬度遠低于設(shè)計要求。斷裂部位橫截面從表面往芯部金相組織依次是：回火索氏體→珠光體+鐵素體+回火索氏體→珠光體+鐵素體，說明材料在調(diào)質(zhì)處理過程中心部并未淬透，導(dǎo)致硬度低。根據(jù)ISO18265－2013標(biāo)準(zhǔn)，抗拉強度與硬度呈線性關(guān)系，硬度下降，材料強度隨之下降，珠光體與鐵素體組織相比回火索氏體組織粗大，組織越細疲勞強度越高，因此銷軸珠光體+鐵素體的組織形態(tài)導(dǎo)致銷軸疲勞強度下降。且已有研究表面，在一定范圍內(nèi)材料的硬度、抗拉強度和疲勞強度幾乎呈線性關(guān)系，硬度低則疲勞強度下降。

結(jié)論：焊接時焊渣濺落點造成銷軸表面組織轉(zhuǎn)變硬度下降，形成局部軟點，疲勞開裂源在此形成；銷軸熱處理組織異常、基體硬度低導(dǎo)致疲勞強度降低，兩方面原因造成銷軸早期斷裂失效。

改進措施

疲勞起源于焊渣濺落處，因此焊接過程對銷軸表面做防護措施，避免焊渣濺落到銷軸表面造成表面軟點。另一方面，45鋼是中碳結(jié)構(gòu)鋼，冷熱加工性能都不錯，機械性能較好，但它的最大弱點是淬透性低，貨車減振銷軸斷裂處直徑達20mm，使用45鋼，做調(diào)質(zhì)處理，零件硬度無法達到設(shè)計要求。

對比40Cr與45鋼淬透性（見表3），直徑20mm的零件，用40Cr做調(diào)質(zhì)處理，其硬度、金相完全可以滿足設(shè)計要求。因銷軸需要與其他零件做焊接處理，需考慮材料焊接性能，材料碳當(dāng)量越高，焊接開裂風(fēng)險越大，40Cr與45鋼碳當(dāng)量接近，更換材料對焊接質(zhì)量幾乎無影響。設(shè)計更換材料至今（近一年時間），未發(fā)生銷軸斷裂故障。

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