張瑞鋒 郭君峰

(1．中國第一重型機(jī)械股份公司理化檢測(cè)中心，黑龍江 161042；2．中國第一重型機(jī)械股份公司重裝事業(yè)部，黑龍江 161042)

某公司生產(chǎn)的一支材質(zhì)為38CrMoAl的杠桿，在工作周期不長(zhǎng)的情況下，設(shè)備突然制動(dòng)導(dǎo)致杠桿與從動(dòng)輪接觸的工作面發(fā)生斷裂。為查明斷裂原因，利用杠桿較小的斷裂部分進(jìn)行失效分析，見圖1。

圖1 斷裂杠桿宏觀形貌Figure 1 The macroscopic appearance of fractured lever

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

觀察斷裂杠桿發(fā)現(xiàn)，斷裂部位位于杠桿驅(qū)動(dòng)接頭與主桿過渡的圓弧部位，基本是整個(gè)外邊緣的最低點(diǎn)。觀察接頭的斷面發(fā)現(xiàn)，斷面相當(dāng)平整，其邊緣也沒有明顯的塑性變形，屬于脆性結(jié)晶狀斷口。根據(jù)裂紋擴(kuò)展痕跡的逆指方向匯聚于尺寸較小的斷口邊緣判定，該區(qū)域?yàn)閿嗫诘臄嗔言?/p>

(見圖2)，但未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。經(jīng)測(cè)量，斷口的尺寸為15 mm×10 mm，基本可確定為斷裂樣品的最小尺寸部位。

1.2 斷口電鏡分析

斷口在電鏡下的低倍形貌與肉眼宏觀下觀察無明顯的區(qū)別，但裂紋源所處的斷口邊緣位置與基體形貌存在一定的區(qū)別，其形貌相對(duì)于基體較為致密，范圍為邊緣向里延伸約0.4 mm，而其兩側(cè)邊緣未發(fā)現(xiàn)這樣的致密區(qū)。經(jīng)查，杠桿表面經(jīng)過滲氮處理，而后其尺寸較寬的平面經(jīng)機(jī)加工后進(jìn)行噴磷處理，其目的是防止工件銹蝕，所以出現(xiàn)上述觀察情況。瞬斷擴(kuò)展痕跡的逆指方向匯集于滲氮層內(nèi)(見圖3)，即工件是以滲氮層為起始源發(fā)生斷裂的。

進(jìn)一步放大觀察斷口，發(fā)現(xiàn)在斷裂源存在數(shù)條類似“冰糖塊”的沿晶裂紋特征形貌，呈多面體形態(tài)，且多數(shù)小面很平直，很少有類似“鼓包”的圓滑面形成，見圖4。裂紋全部起始于斷口滲氮層的外邊緣，大部分終止于滲氮層深內(nèi)部，有的可到達(dá)滲層的底部，最大長(zhǎng)度約0.4 mm。可以看出，有些裂紋已經(jīng)貫穿整個(gè)滲氮層。此外，斷裂源其他區(qū)域形貌為呈碎塊狀的準(zhǔn)解理特征，且與沿晶裂紋相間分布。瞬斷擴(kuò)展區(qū)(基體)的微觀形貌(見圖5)，為脆性解理加少量準(zhǔn)解理，有少量的二次裂紋形成，但未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。在與斷裂源垂直的兩側(cè)外邊緣未發(fā)現(xiàn)上述裂紋。在與斷裂源相對(duì)的邊緣由于受到工件斷裂發(fā)生時(shí)的擠壓作用，即使存在沿晶裂紋，其特征形貌也會(huì)被破壞，所以不做參考。

圖2 斷口宏觀形貌Figure 2 The macroscopic appearance of the fracture

圖3 掃描電鏡下的低倍形貌Figure 3 The macroscopic appearance under SEM

圖4 斷裂源局部微觀形貌Figure 4 The microscopic appearance of local fracture source

圖5 瞬斷區(qū)微觀形貌Figure 5 The microscopic appearance of transient fracture zone

圖6 斷裂邊緣組織及晶粒Figure 6 Microstructure and grain size of crack edge

圖7 部分滲氮層(灰色帶)Figure 7 Part of the nitrided layer (gray zone )

1.3 金相檢驗(yàn)

將與斷裂樣品滲氮層垂直的面(窄面)進(jìn)行機(jī)加工后，在保證斷裂邊緣的原始特征的情況下，制成金相試樣。磨拋腐蝕后觀察發(fā)現(xiàn)，邊緣明顯形成斷續(xù)的沿晶粒邊界發(fā)展的特征，見圖6。將斷口面制成金相試樣，磨拋腐蝕后觀察其滲層(見圖7)，滲層組織均勻性較好，層深無明顯的變化，尺寸約0.1 mm，比電鏡觀察斷口時(shí)測(cè)量的層深淺。這是由于在制作金相試樣時(shí)，由于其外形不規(guī)則，加工較困難，不可避免的去除了一部分滲氮層。從圖7可以看到，本應(yīng)在最外層形成的ε相白亮層未顯現(xiàn)，剩余黑色的部分為合金氮化物+回火索氏體。

2 分析與討論

宏觀觀察結(jié)果表明，該杠桿發(fā)生斷裂的部位在最薄弱區(qū)域，其抵抗外力的強(qiáng)度較其它區(qū)域差，尤其在瞬間啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)，該部位承受的沖擊力更大。根據(jù)斷口無塑性特征分析，斷裂是瞬時(shí)發(fā)生的，而且起始于工件的表層，說明材料的脆性很大。由于薄弱區(qū)域的連接頭與從動(dòng)輪接觸，即其圓弧表面為工作面，所以必須要求工作面有較高的硬度、耐磨性及抗疲勞性能，從而起到傳動(dòng)力的作用，滲氮處理就是這個(gè)目的。

電鏡觀察結(jié)果表明，工件斷裂源位于滲氮層內(nèi)，同時(shí)在斷裂源發(fā)現(xiàn)數(shù)條深度不等的沿晶裂紋?？梢耘袛?，正是由于這些微裂紋導(dǎo)致工件的力學(xué)性能顯著下降，其在工件的薄弱環(huán)節(jié)形成，加劇了斷裂的發(fā)生。這種存在于滲氮層內(nèi)的沿晶微裂紋，可能是在工件滲氮過程中產(chǎn)生的，也可能是材料本身在滲氮之前就已形成，但是從斷口分析得出，在未經(jīng)滲氮處理的表面(磷化面)未發(fā)現(xiàn)沿晶微裂紋，以及沿晶裂紋只形成于滲氮層內(nèi)，基本可以排除后一種可能。

該杠桿采用氣體滲氮工藝時(shí)，在滲氮爐中通入氨氣進(jìn)行分解得到氮原子，即發(fā)生以下反應(yīng)：2NH3→2[N]+3[H]2。這種氮原子活性很強(qiáng)，容易被工件吸收，從而達(dá)到提高硬度的目的。但是，從上述方程式可以看出，在氨氣分解產(chǎn)生氮原子的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多的氫，并在熱處理過程中容易滲入鋼中，使工件表面的氫含量顯著提高，特別是在尖端或薄弱區(qū)域容易富集。由于工件表面的含氮量較高，耐回火性增強(qiáng)，所以當(dāng)回火不足時(shí)，滲入工件次表面的氫就不能充分逸出，這時(shí)工件內(nèi)部的氫容易在晶界富集。此外，在工件薄弱環(huán)節(jié)容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使晶界富集的氫沿晶界繼續(xù)向內(nèi)滲入，最終形成沿晶裂紋。該杠桿滲氮層內(nèi)深度不等的沿晶微裂紋即為氫在不同內(nèi)應(yīng)力下作用的結(jié)果，是回火不充分的表現(xiàn)。

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，在試樣的外邊緣發(fā)現(xiàn)斷續(xù)的沿晶特征對(duì)應(yīng)斷口電鏡下的相應(yīng)特征。從顯微組織分析，表層氮含量增加，耐回火性增強(qiáng)，導(dǎo)致工件在回火后顯微組織中殘余奧氏體量增多，使得顯微組織轉(zhuǎn)化不完全，在較低的溫度下，不穩(wěn)定的殘余奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體，但馬氏體卻不能把富集于工件薄弱環(huán)節(jié)大量的氫保留在固溶體中。因此，它突然把氫釋放出來，這樣一來，所產(chǎn)生的應(yīng)力就可以引起裂紋的發(fā)生。

氫脆是一個(gè)可逆過程，如果通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，把氫自金屬?nèi)部驅(qū)出或消除氫在局部區(qū)域的聚集，則材料完全或部分地恢復(fù)原來的力學(xué)性能，避免氫脆斷裂的發(fā)生。在具體的熱處理工藝操作中，一般的做法是提高回火溫度，延長(zhǎng)回火時(shí)間，促使顯微組織轉(zhuǎn)化完全，使氫逸出，達(dá)到降低工件表層的氫含量。其次，淬火后的工件必須及時(shí)回火，這樣就可以避免氫脆斷裂的發(fā)生。

該杠桿的外形設(shè)計(jì)也存在不合理的現(xiàn)象，其驅(qū)動(dòng)接頭與主桿過渡圓弧部位曲率半徑太小，會(huì)導(dǎo)致杠桿工作過程中在該部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使其綜合力學(xué)性能變差，應(yīng)適當(dāng)增大圓弧部位的曲率半徑或者避免這種過渡圓弧的設(shè)計(jì)，這要視杠桿與從動(dòng)輪的具體裝配情況而定。

3 結(jié)論

(1)位于杠桿驅(qū)動(dòng)接頭與主桿過渡的圓弧部位發(fā)生斷裂，主要是由于氣體滲氮過程產(chǎn)生的氫在該區(qū)域聚集，在回火不足的情況下，氫未充分逸出，并沿晶界聚集，形成氫脆微裂紋，導(dǎo)致杠桿在后期使用過程中在微裂紋區(qū)域產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，最終發(fā)生斷裂。其次，杠桿不合理的外形設(shè)計(jì)對(duì)其斷裂也可能起到促進(jìn)作用。

(2)建議在杠桿進(jìn)行熱處理時(shí)，提高回火溫度或延長(zhǎng)回火時(shí)間，促使顯微組織完全轉(zhuǎn)化，使氫充分逸出，尤其在薄弱區(qū)域，以達(dá)到降低工件表層氫含量，避免氫脆斷裂發(fā)生的目的。此外，應(yīng)適當(dāng)增大驅(qū)動(dòng)接頭與主桿過渡圓弧部位的曲率半徑或者避免這種過渡圓弧的設(shè)計(jì)，從而減輕在該區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力集中，提高工件的抗疲勞性能。

[1] 李烔輝. 金屬材料金相圖譜. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2] 束德林. 金屬力學(xué)性能. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3] 孫智，江利，等.失效分析:基礎(chǔ)與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.