劉建濤等

摘 要：通過化學成分分析、硬度檢驗、宏觀及微觀分析等方法，對使用中斷裂的挖掘機履帶主銷軸進行失效分析。結果表明，含碳量高、調質處理不當、非金屬夾雜物偏析、帶狀組織等缺陷嚴重是造成主銷軸斷裂的主要原因。

關鍵詞：主銷軸 夾雜物 偏析 斷裂

中圖分類號：TG157 文獻標識碼：A 文章編號：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）在挖掘機上與履帶配合使用，軸工作時受彎曲應力，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《碳素結構鋼》中的45號鋼。略知軸加工工序：軋制→調質處理→冷加工→高頻爐淬火→回火。技術要求：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 試驗結果與分析

1.1 宏觀檢驗

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，受力后裂紋快速擴展，大約到斷口半徑處后又以箭頭b處為裂紋源再次擴展直至軸斷裂。

1.2 化學成分分析

在斷裂的軸上取樣進行化學成分分析，其中C、S含量采用HCS-140型高頻紅外碳硫分析儀檢測，其余元素依據(jù)GB/T 223系列標準檢測。檢測結果見表1，結果表明其C含量高于技術要求。

1.3 硬度及淬火層深度測定

依據(jù)GB/T 230.1-2009《金屬材料 洛氏硬度試驗 第一部分：試驗方法》標準，采用LR-300TDL型洛氏硬度計對軸表面硬度進行檢測，檢測結果見表2。技術要求：深度3.0～5.0 mm范圍內硬度≥45 HRC，實際檢測深度為3.3 mm，硬度值檢測結果符合技術條件要求。

1.4 微觀斷口觀察

使用日本日立株式會社，型號S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡對斷口進行掃描觀察，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詘伎又校得魘荄類非金屬夾雜物，見圖4（b）。對裂紋擴展區(qū)進行觀察，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 金相檢測分析

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

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，并沿晶界擴展，裂紋兩側無氧化脫碳現(xiàn)象，屬于淬火裂紋。

2 分析討論

根據(jù)上述檢測，此軸存在以下缺陷：

牌號接近45號鋼，碳含量卻達到55號鋼，而鋼中的含碳量對高頻淬火形成裂紋的敏感性的影響十分強烈。實踐證明，45號鋼的含碳量接近上限時，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，軸應該是軋制件。金相檢測結果存在樹枝狀結晶，說明沒有經(jīng)過良好的軋制，有較嚴重的偏析，降低了軸的性能；偏析嚴重及樹枝狀晶，高溫時鋼的晶界強度較晶內低，淬火應力下，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點較基體高，容易形成馬氏體，形成較大的組織應力及熱應力，易成為裂紋。

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

依據(jù)GB/T 13320-2007評定，組織為珠光體+索氏體+鐵素體+魏氏組織，評定為8級，是調質質量最差的級別。

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

軸的硬度設計不合理，技術要求軸的表面硬度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。實際測量硬度59.0～60 HRC，超出履帶技術上限10～11 HRC，不管從耐磨、強度和韌性哪個角度設計，都不該相差這么多。查《結構鋼手冊》55鋼硬度達60 HRC時，回火溫度最高100 ℃，根本達不到消除高頻淬火應力的作用，除非相當長時間回火；為了提高軸的使用壽命，設計硬度應該與履帶相當。

由于軸存在上述缺陷，在碎石路面受彎曲應力，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，保留有樹枝狀結晶和偏析，降低了軸的性能。

（4）軸硬度設計不合理，與履帶不匹配。

參考文獻：

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