论文部分内容阅读
摘 要：通过化学成分分析、硬度检验、宏观及微观分析等方法，对使用中断裂的挖掘机履带主销轴进行失效分析。结果表明，含碳量高、调质处理不当、非金属夹杂物偏析、带状组织等缺陷严重是造成主销轴断裂的主要原因。
关键词：主销轴 夹杂物 偏析 断裂
中图分类号：TG157 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-015-03
某公司提供以下情况：履带主销轴（以下简称：轴）在挖掘机上与履带配合使用，轴工作时受弯曲应力，在碎石路面上工作185 h发生断裂。轴外形尺寸为 36 mm€？12 mm。轴为韩国牌号S43BC，具体的成分、热加工工艺等均保密。委托者称成分接近GB/T 699-1999《碳素结构钢》中的45号钢。略知轴加工工序：轧制→调质处理→冷加工→高频炉淬火→回火。技术要求：轴表面硬度55～60 HRC，芯部硬度285～330 HB，淬火层深度3.0～5.0 mm（≥45 HRC）。与轴配合使用的履带要求表面硬度38～49 HRC，询问委托者硬度为什么相差这么多，回答不知道，是仿造的。
1 试验结果与分析
1.1 宏观检验
轴断裂样品形貌见图1，图2。宏观断口观察，如图3所示，断口有一定斜度，无宏观疲劳纹，有明显的撕裂岭与河流花样，呈脆性断口特征。裂纹源在箭头a处，受力后裂纹快速扩展，大约到断口半径处后又以箭头b处为裂纹源再次扩展直至轴断裂。
1.2 化学成分分析
在断裂的轴上取样进行化学成分分析，其中C、S含量采用HCS-140型高频红外碳硫分析仪检测，其余元素依据GB/T 223系列标准检测。检测结果见表1，结果表明其C含量高于技术要求。
1.3 硬度及淬火层深度测定
依据GB/T 230.1-2009《金属材料 洛氏硬度试验 第一部分：试验方法》标准，采用LR-300TDL型洛氏硬度计对轴表面硬度进行检测，检测结果见表2。技术要求：深度3.0～5.0 mm范围内硬度≥45 HRC，实际检测深度为3.3 mm，硬度值检测结果符合技术条件要求。
1.4 微观断口观察
使用日本日立株式会社，型号S-4800场发射扫描电子显微镜对断口进行扫描观察，图4（a）为裂纹源a位置，纵裂纹从轴表面向心部扩展，无疲劳辉纹。裂纹处放大1000€祝亓盐品植加薪隙嗟那蜃次铮械幕瓜馇对诎伎又校得魇荄类非金属夹杂物，见图4（b）。对裂纹扩展区进行观察，可以看见清晰的河流状花样，呈现解理断口特征，属于脆性开裂断口，见图4（c）。
1.5 金相检测分析
在Axio Observer.Alm型金相显微镜上分别对断裂轴进行非金属夹杂物含量的测定和显微组织观察。
观察断口横截面金相组织，在裂纹源a附近观测到两条尚未交叉的纵向裂纹，见图5。裂纹位置处于淬火区域，裂纹a与裂纹b成一定角度。两条裂纹刚直形如闪电，并沿晶界扩展，裂纹两侧无氧化脱碳现象，属于淬火裂纹。
2 分析讨论
根据上述检测，此轴存在以下缺陷：
牌号接近45号钢，碳含量却达到55号钢，而钢中的含碳量对高频淬火形成裂纹的敏感性的影响十分强烈。实践证明，45号钢的含碳量接近上限时，高频淬火过程的开裂现象将急剧增加，增大了热裂和冷裂倾向。
根据生产工序，轴应该是轧制件。金相检测结果存在树枝状结晶，说明没有经过良好的轧制，有较严重的偏析，降低了轴的性能；偏析严重及树枝状晶，高温时钢的晶界强度较晶内低，淬火应力下，容易从晶界开裂，增大了高频淬火过程的开裂倾向。偏析使得临界温度不同，奥氏体化后相同的冷却条件下，组织有很大差别。在合金元素含量较高的偏析区域，Ms点较基体高，容易形成马氏体，形成较大的组织应力及热应力，易成为裂纹。
非金属夹杂物含量达D类粗系2.5，破坏轴整体性及连续性，降低钢的强度及韧性。
依据GB/T 13320-2007评定，组织为珠光体+索氏体+铁素体+魏氏组织，评定为8级，是调质质量最差的级别。
横截面淬火层马氏体为3级，属正常的马氏体组织。但是，两条裂纹刚直形如闪电，并沿晶界扩展，裂纹两侧无氧化脱碳现象，属于淬火裂纹。
轴的硬度设计不合理，技术要求轴的表面硬度55～60 HRC，与轴配合使用的履带表面硬度38～49HRC，硬度差为6 ～11 HRC。实际测量硬度59.0～60 HRC，超出履带技术上限10～11 HRC，不管从耐磨、强度和韧性哪个角度设计，都不该相差这么多。查《结构钢手册》55钢硬度达60 HRC时，回火温度最高100 ℃，根本达不到消除高频淬火应力的作用，除非相当长时间回火；为了提高轴的使用寿命，设计硬度应该与履带相当。
由于轴存在上述缺陷，在碎石路面受弯曲应力，工作185 h断裂。电镜观察裂纹起源于轴表面，无疲劳辉纹，扩展区有河流状花样，断口为解理，有D类夹杂，轴边缘无剪切唇，属于脆性瞬间断裂。
3 结论
（1）含碳量偏高，增大了热裂和冷裂倾向。
（2）非金属夹杂物破坏轴整体性及连续性，降低钢的强度及韧性。
（3）原料未经过良好的轧制或均匀化退火，保留有树枝状结晶和偏析，降低了轴的性能。
（4）轴硬度设计不合理，与履带不匹配。
参考文献：
[1] 任颂赞，张静江，陈质如，等.钢铁金相图谱[M].上海：科学技术文献出版社，2005：104，136，691.
[2] 机械工业出版社编写组.钢的热处理裂纹和变形[M].上海：科学技术文献出版社，1978：69.
[3] 王洪明.结构钢手册[M].石家庄：河北科学技术出版社，1985：63，85.
关键词：主销轴 夹杂物 偏析 断裂
中图分类号：TG157 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-015-03
某公司提供以下情况：履带主销轴（以下简称：轴）在挖掘机上与履带配合使用，轴工作时受弯曲应力，在碎石路面上工作185 h发生断裂。轴外形尺寸为 36 mm€？12 mm。轴为韩国牌号S43BC，具体的成分、热加工工艺等均保密。委托者称成分接近GB/T 699-1999《碳素结构钢》中的45号钢。略知轴加工工序：轧制→调质处理→冷加工→高频炉淬火→回火。技术要求：轴表面硬度55～60 HRC，芯部硬度285～330 HB，淬火层深度3.0～5.0 mm（≥45 HRC）。与轴配合使用的履带要求表面硬度38～49 HRC，询问委托者硬度为什么相差这么多，回答不知道，是仿造的。
1 试验结果与分析
1.1 宏观检验
轴断裂样品形貌见图1，图2。宏观断口观察，如图3所示，断口有一定斜度，无宏观疲劳纹，有明显的撕裂岭与河流花样，呈脆性断口特征。裂纹源在箭头a处，受力后裂纹快速扩展，大约到断口半径处后又以箭头b处为裂纹源再次扩展直至轴断裂。
1.2 化学成分分析
在断裂的轴上取样进行化学成分分析，其中C、S含量采用HCS-140型高频红外碳硫分析仪检测，其余元素依据GB/T 223系列标准检测。检测结果见表1，结果表明其C含量高于技术要求。
1.3 硬度及淬火层深度测定
依据GB/T 230.1-2009《金属材料 洛氏硬度试验 第一部分：试验方法》标准，采用LR-300TDL型洛氏硬度计对轴表面硬度进行检测，检测结果见表2。技术要求：深度3.0～5.0 mm范围内硬度≥45 HRC，实际检测深度为3.3 mm，硬度值检测结果符合技术条件要求。
1.4 微观断口观察
使用日本日立株式会社，型号S-4800场发射扫描电子显微镜对断口进行扫描观察，图4（a）为裂纹源a位置，纵裂纹从轴表面向心部扩展，无疲劳辉纹。裂纹处放大1000€祝亓盐品植加薪隙嗟那蜃次铮械幕瓜馇对诎伎又校得魇荄类非金属夹杂物，见图4（b）。对裂纹扩展区进行观察，可以看见清晰的河流状花样，呈现解理断口特征，属于脆性开裂断口，见图4（c）。
1.5 金相检测分析
在Axio Observer.Alm型金相显微镜上分别对断裂轴进行非金属夹杂物含量的测定和显微组织观察。
观察断口横截面金相组织，在裂纹源a附近观测到两条尚未交叉的纵向裂纹，见图5。裂纹位置处于淬火区域，裂纹a与裂纹b成一定角度。两条裂纹刚直形如闪电，并沿晶界扩展，裂纹两侧无氧化脱碳现象，属于淬火裂纹。
2 分析讨论
根据上述检测，此轴存在以下缺陷：
牌号接近45号钢，碳含量却达到55号钢，而钢中的含碳量对高频淬火形成裂纹的敏感性的影响十分强烈。实践证明，45号钢的含碳量接近上限时，高频淬火过程的开裂现象将急剧增加，增大了热裂和冷裂倾向。
根据生产工序，轴应该是轧制件。金相检测结果存在树枝状结晶，说明没有经过良好的轧制，有较严重的偏析，降低了轴的性能；偏析严重及树枝状晶，高温时钢的晶界强度较晶内低，淬火应力下，容易从晶界开裂，增大了高频淬火过程的开裂倾向。偏析使得临界温度不同，奥氏体化后相同的冷却条件下，组织有很大差别。在合金元素含量较高的偏析区域，Ms点较基体高，容易形成马氏体，形成较大的组织应力及热应力，易成为裂纹。
非金属夹杂物含量达D类粗系2.5，破坏轴整体性及连续性，降低钢的强度及韧性。
依据GB/T 13320-2007评定，组织为珠光体+索氏体+铁素体+魏氏组织，评定为8级，是调质质量最差的级别。
横截面淬火层马氏体为3级，属正常的马氏体组织。但是，两条裂纹刚直形如闪电，并沿晶界扩展，裂纹两侧无氧化脱碳现象，属于淬火裂纹。
轴的硬度设计不合理，技术要求轴的表面硬度55～60 HRC，与轴配合使用的履带表面硬度38～49HRC，硬度差为6 ～11 HRC。实际测量硬度59.0～60 HRC，超出履带技术上限10～11 HRC，不管从耐磨、强度和韧性哪个角度设计，都不该相差这么多。查《结构钢手册》55钢硬度达60 HRC时，回火温度最高100 ℃，根本达不到消除高频淬火应力的作用，除非相当长时间回火；为了提高轴的使用寿命，设计硬度应该与履带相当。
由于轴存在上述缺陷，在碎石路面受弯曲应力，工作185 h断裂。电镜观察裂纹起源于轴表面，无疲劳辉纹，扩展区有河流状花样，断口为解理，有D类夹杂，轴边缘无剪切唇，属于脆性瞬间断裂。
3 结论
（1）含碳量偏高，增大了热裂和冷裂倾向。
（2）非金属夹杂物破坏轴整体性及连续性，降低钢的强度及韧性。
（3）原料未经过良好的轧制或均匀化退火，保留有树枝状结晶和偏析，降低了轴的性能。
（4）轴硬度设计不合理，与履带不匹配。
参考文献：
[1] 任颂赞，张静江，陈质如，等.钢铁金相图谱[M].上海：科学技术文献出版社，2005：104，136，691.
[2] 机械工业出版社编写组.钢的热处理裂纹和变形[M].上海：科学技术文献出版社，1978：69.
[3] 王洪明.结构钢手册[M].石家庄：河北科学技术出版社，1985：63，85.