劉建濤等

摘 要：通過化學(xué)成分分析、硬度檢驗(yàn)、宏觀及微觀分析等方法，對(duì)使用中斷裂的挖掘機(jī)履帶主銷軸進(jìn)行失效分析。結(jié)果表明，含碳量高、調(diào)質(zhì)處理不當(dāng)、非金屬夾雜物偏析、帶狀組織等缺陷嚴(yán)重是造成主銷軸斷裂的主要原因。

關(guān)鍵詞：主銷軸 夾雜物 偏析 斷裂

中圖分類號(hào)：TG157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）009-015-03

某公司提供以下情況：履帶主銷軸（以下簡稱：軸）在挖掘機(jī)上與履帶配合使用，軸工作時(shí)受彎曲應(yīng)力，在碎石路面上工作185 h發(fā)生斷裂。軸外形尺寸為 36 mm？12 mm。軸為韓國牌號(hào)S43BC，具體的成分、熱加工工藝等均保密。委托者稱成分接近GB/T 699-1999《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中的45號(hào)鋼。略知軸加工工序：軋制→調(diào)質(zhì)處理→冷加工→高頻爐淬火→回火。技術(shù)要求：軸表面硬度55～60 HRC，芯部硬度285～330 HB，淬火層深度3.0～5.0 mm（≥45 HRC）。與軸配合使用的履帶要求表面硬度38～49 HRC，詢問委托者硬度為什么相差這么多，回答不知道，是仿造的。

1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.1 宏觀檢驗(yàn)

軸斷裂樣品形貌見圖1，圖2。宏觀斷口觀察，如圖3所示，斷口有一定斜度，無宏觀疲勞紋，有明顯的撕裂嶺與河流花樣，呈脆性斷口特征。裂紋源在箭頭a處，受力后裂紋快速擴(kuò)展，大約到斷口半徑處后又以箭頭b處為裂紋源再次擴(kuò)展直至軸斷裂。

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂的軸上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，其中C、S含量采用HCS-140型高頻紅外碳硫分析儀檢測(cè)，其余元素依據(jù)GB/T 223系列標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果見表1，結(jié)果表明其C含量高于技術(shù)要求。

1.3 硬度及淬火層深度測(cè)定

依據(jù)GB/T 230.1-2009《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第一部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用LR-300TDL型洛氏硬度計(jì)對(duì)軸表面硬度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2。技術(shù)要求：深度3.0～5.0 mm范圍內(nèi)硬度≥45 HRC，實(shí)際檢測(cè)深度為3.3 mm，硬度值檢測(cè)結(jié)果符合技術(shù)條件要求。

1.4 微觀斷口觀察

使用日本日立株式會(huì)社，型號(hào)S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行掃描觀察，圖4（a）為裂紋源a位置，縱裂紋從軸表面向心部擴(kuò)展，無疲勞輝紋。裂紋處放大1000祝亓鹽品植加薪隙嗟那蜃次錚械幕瓜馇對(duì)詘伎又校得魘荄類非金屬夾雜物，見圖4（b）。對(duì)裂紋擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行觀察，可以看見清晰的河流狀花樣，呈現(xiàn)解理斷口特征，屬于脆性開裂斷口，見圖4（c）。

1.5 金相檢測(cè)分析

在Axio Observer.Alm型金相顯微鏡上分別對(duì)斷裂軸進(jìn)行非金屬夾雜物含量的測(cè)定和顯微組織觀察。

觀察斷口橫截面金相組織，在裂紋源a附近觀測(cè)到兩條尚未交叉的縱向裂紋，見圖5。裂紋位置處于淬火區(qū)域，裂紋a與裂紋b成一定角度。兩條裂紋剛直形如閃電，并沿晶界擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象，屬于淬火裂紋。

2 分析討論

根據(jù)上述檢測(cè)，此軸存在以下缺陷：

牌號(hào)接近45號(hào)鋼，碳含量卻達(dá)到55號(hào)鋼，而鋼中的含碳量對(duì)高頻淬火形成裂紋的敏感性的影響十分強(qiáng)烈。實(shí)踐證明，45號(hào)鋼的含碳量接近上限時(shí)，高頻淬火過程的開裂現(xiàn)象將急劇增加，增大了熱裂和冷裂傾向。

根據(jù)生產(chǎn)工序，軸應(yīng)該是軋制件。金相檢測(cè)結(jié)果存在樹枝狀結(jié)晶，說明沒有經(jīng)過良好的軋制，有較嚴(yán)重的偏析，降低了軸的性能；偏析嚴(yán)重及樹枝狀晶，高溫時(shí)鋼的晶界強(qiáng)度較晶內(nèi)低，淬火應(yīng)力下，容易從晶界開裂，增大了高頻淬火過程的開裂傾向。偏析使得臨界溫度不同，奧氏體化后相同的冷卻條件下，組織有很大差別。在合金元素含量較高的偏析區(qū)域，Ms點(diǎn)較基體高，容易形成馬氏體，形成較大的組織應(yīng)力及熱應(yīng)力，易成為裂紋。

非金屬夾雜物含量達(dá)D類粗系2.5，破壞軸整體性及連續(xù)性，降低鋼的強(qiáng)度及韌性。

依據(jù)GB/T 13320-2007評(píng)定，組織為珠光體+索氏體+鐵素體+魏氏組織，評(píng)定為8級(jí)，是調(diào)質(zhì)質(zhì)量最差的級(jí)別。

橫截面淬火層馬氏體為3級(jí)，屬正常的馬氏體組織。但是，兩條裂紋剛直形如閃電，并沿晶界擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象，屬于淬火裂紋。

軸的硬度設(shè)計(jì)不合理，技術(shù)要求軸的表面硬度55～60 HRC，與軸配合使用的履帶表面硬度38～49HRC，硬度差為6 ～11 HRC。實(shí)際測(cè)量硬度59.0～60 HRC，超出履帶技術(shù)上限10～11 HRC，不管從耐磨、強(qiáng)度和韌性哪個(gè)角度設(shè)計(jì)，都不該相差這么多。查《結(jié)構(gòu)鋼手冊(cè)》55鋼硬度達(dá)60 HRC時(shí)，回火溫度最高100 ℃，根本達(dá)不到消除高頻淬火應(yīng)力的作用，除非相當(dāng)長時(shí)間回火；為了提高軸的使用壽命，設(shè)計(jì)硬度應(yīng)該與履帶相當(dāng)。

由于軸存在上述缺陷，在碎石路面受彎曲應(yīng)力，工作185 h斷裂。電鏡觀察裂紋起源于軸表面，無疲勞輝紋，擴(kuò)展區(qū)有河流狀花樣，斷口為解理，有D類夾雜，軸邊緣無剪切唇，屬于脆性瞬間斷裂。

3 結(jié)論

（1）含碳量偏高，增大了熱裂和冷裂傾向。

（2）非金屬夾雜物破壞軸整體性及連續(xù)性，降低鋼的強(qiáng)度及韌性。

（3）原料未經(jīng)過良好的軋制或均勻化退火，保留有樹枝狀結(jié)晶和偏析，降低了軸的性能。

（4）軸硬度設(shè)計(jì)不合理，與履帶不匹配。

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