在隨車吊機作業(yè)過程中,某集裝箱吊裝落地就位后,機械臂與液壓桿連接處銷軸突然斷裂,機械臂脫離液壓桿,一端砸向集裝箱,造成集裝箱頂部塌陷。銷軸斷裂成兩截,斷裂位置大概位于銷軸的中間處（見圖1）,其中一截已脫落,另一截掛在機械臂上。作業(yè)時隨車吊機未出現(xiàn)超載、超范圍等違規(guī)操作。銷軸材料為42CrMoA鋼,斷裂銷軸直徑約為100 mm,長度約為280 mm,整根銷軸長度為553 mm。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該銷軸的斷裂原因,以避免該類問題再次發(fā)生。 

圖  1  銷軸斷裂現(xiàn)場

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂銷軸宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：銷軸表面及斷口上可見大量的黑色油污,斷裂位置為銷軸中間部位。 

圖  2  斷裂銷軸宏觀形貌

斷裂銷軸清洗后宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：銷軸表面锃亮,在近螺紋端處可見面積大小不一的黑色凹坑,在另一端近斷口處局部可見長短不一的環(huán)向條紋,條紋區(qū)域長度約為7 mm,環(huán)向?qū)挾燃s為60 mm,其他位置未見明顯類似的環(huán)向條紋；斷口表面較為平整,斷口外表層存在環(huán)繞一圈的平整臺階,臺階寬度大小不一,臺階區(qū)域為硬化層區(qū)域；斷口可見兩處面積大小不一的背擴紋,呈雙源疲勞斷口形貌特征,疲勞源1位于背擴紋區(qū)域面積較大的一側(cè),疲勞源2位于對面背擴紋區(qū)域面積較小的一側(cè),疲勞源分別從銷軸兩側(cè)萌生并由外向內(nèi)擴展,最終斷裂區(qū)位于偏向一側(cè)的銷軸內(nèi)部；兩側(cè)背擴紋面積大小不一,表明銷軸兩側(cè)受到的應(yīng)力大小不一致,裂紋擴展的時間也不一致[1]；疲勞擴展區(qū)平整,最終斷裂區(qū)凹凸不平。 

圖  3  斷裂銷軸清洗后宏觀形貌

將斷裂銷軸表面置于體視顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：近螺紋端處可見黑色凹坑,黑色凹坑的產(chǎn)生原因為表面鍍鉻層剝落；疲勞源2處銷軸表面周向區(qū)域有不規(guī)則的環(huán)形條紋,疲勞源1處未見不規(guī)則的環(huán)向條紋。 

圖  4  斷裂銷軸表面體視顯微鏡下形貌

將銷軸斷口置于體視顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：疲勞源1附近硬化層起裂源位于銷軸表面邊緣處,起裂源區(qū)平整,裂紋分別向兩邊沿著圓周方向呈人字形擴展,最終匯集于銷軸對側(cè)的硬化層處,裂紋終點可見高低不平的臺階。 

圖  5  銷軸斷口體視顯微鏡下形貌

1.2   化學成分分析

在銷軸斷口附近截取試樣,對試樣進行清洗、干燥、打磨處理,采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對42CrMoA鋼的要求。 

采用X射線熒光光譜儀對銷軸外表面鍍層進行化學成分分析,結(jié)果如表2所示。由表2可知：表面鍍層主要含有Cr元素。 

1.3   金相檢驗

分別在銷軸疲勞源1位置附近、疲勞源2位置附近及心部截取縱截面試樣,對試樣進行鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕處理,利用光學顯微鏡觀察試樣。 

疲勞源1位置附近顯微組織形貌如圖6所示。由圖6可知：試樣由表面向心部的組織依次為白亮層（鍍鉻層）、回火馬氏體（淬硬層組織）、回火索氏體+少量塊狀鐵素體（基體組織）[2]；白亮層厚度分布較為均勻,約為24 μm。 

圖  6  疲勞源1位置附近顯微組織形貌

疲勞源2位置附近顯微組織形貌如圖7所示。由圖7可知：試樣由表面向心部的組織依次為白亮層（鍍鉻層）、回火馬氏體（淬硬層組織）、回火索氏體+少量塊狀鐵素體（基體組織）；白亮層厚度較為均勻,約為24 μm。 

圖  7  疲勞源2位置附近顯微組織形貌

銷軸心部顯微組織形貌如圖8所示,可見試樣心部的組織為回火索氏體+少量塊狀鐵素體。 

圖  8  銷軸心部顯微組織形貌

1.4   硬度測試

在銷軸橫截面外取樣,將試樣打磨、拋光后,對試樣進行布氏硬度測試,結(jié)果如表3所示。 

分別在疲勞源1和疲勞源2區(qū)域附近截取試樣,將試樣打磨、拋光后,對試樣進行維氏硬度測試,結(jié)果如表4,5所示。 

1.5   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在銷軸斷口處截取試樣,將試樣清洗、干燥后,將試樣置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：試樣淬硬層區(qū)起裂源位于銷軸外表面邊緣處,該區(qū)域斷面平整；起裂源區(qū)靠近斷口邊緣處受到明顯的擠壓、磨損等損傷；淬硬層區(qū)裂紋擴展區(qū)可見裂紋呈人字形快速擴展形貌特征,裂紋沿銷軸四周呈環(huán)狀擴展；斷面可見韌窩形貌,局部可見沿晶開裂形貌[3]。 

圖  9  銷軸斷口處SEM形貌

疲勞源1位于銷軸環(huán)形裂紋根部,該區(qū)域斷面平整,裂紋由邊緣向心部擴展,靠近斷口邊緣處存在明顯的擠壓、磨損等損傷,疲勞源1表面可見非金屬附著物（見圖10）。對該附著物進行能譜分析,可知附著物主要為含有Si、Fe元素的氧化物,還含有少量Al、Ca、Na等元素（見圖11）。 

圖  10  疲勞源1處SEM形貌

圖  11  疲勞源1處表面附著物能譜分析結(jié)果

疲勞源2同樣位于銷軸環(huán)形裂紋根部,該區(qū)域斷面平整,裂紋由邊緣向心部擴展,靠近斷口邊緣存在明顯的擠壓、磨損等損傷（見圖12）。裂紋擴展區(qū)形貌以韌窩形貌為主,裂紋快速擴展區(qū)以解理形貌為主,斷面上可見大量平行的圓弧貝擴紋,呈低周疲勞斷口形貌特征[見圖13a）,13b）]。最后瞬斷區(qū)為扇形解理形貌,呈快速撕裂形貌特征[見圖13c）,13d）]。 

圖  12  疲勞源2處SEM形貌

圖  13  裂紋擴展區(qū)和最后瞬斷區(qū)SEM形貌

對銷軸斷口附近表面進行掃描電鏡分析,結(jié)果如圖14所示。由圖14可知：斷口附近表面可見平行的條狀凹坑,為表面鍍鉻層剝落所致；條狀凹坑底部較為平整,鍍鉻層脫落后呈片層狀形貌特征,斷面上局部伴生二次裂紋；其他區(qū)域表面鍍鉻層完好,未見明顯脫落及凹坑,局部可見結(jié)疤狀鍍層附在表面；相鄰的鍍鉻層間可見明顯的帶狀溝槽,表面局部可見點狀凹坑。 

圖  14  銷軸斷口附近表面SEM形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知：銷軸母材的化學成分分析結(jié)果符合標準要求,銷軸表面主要成分為Cr元素；銷軸心部的布氏硬度為243.6 HBW,符合銷軸的加工工藝要求。 

銷軸表面淬硬層與心部硬度存在較大差異,心部硬度較為均勻。銷軸硬度分布情況與其加工工藝及顯微組織分布吻合。疲勞源1與疲勞源2處淬硬層硬度存在一定差異,不同位置淬硬層硬度分布不均,厚度分布也不均,淬硬層深度為1.80~2.30 mm。銷軸不同位置的淬硬層硬度及厚度分布不均導(dǎo)致銷軸表面的內(nèi)應(yīng)力分布不均[4]。淬硬層脆性較大,裂紋易向心部擴展,最終導(dǎo)致銷軸斷裂[5]。 

淬硬層起裂源位于銷軸外表面邊緣處,裂紋快速向兩側(cè)擴展,最后發(fā)生環(huán)向一周開裂現(xiàn)象。斷口上可見兩處面積大小不一的背擴紋,呈雙源疲勞斷口形貌特征,疲勞源分別從兩側(cè)次表面邊緣處萌生,并由外部向內(nèi)部擴展,最終斷裂區(qū)位于偏向一側(cè)的銷軸內(nèi)部。 

銷軸外表面硬化層（鍍鉻層+淬硬層）為最先開裂位置,起裂源位于銷軸外表面邊緣處,裂紋呈人字形快速擴展形貌特征,裂紋沿著銷軸四周呈環(huán)狀擴展,發(fā)生一次性周向開裂現(xiàn)象。兩處疲勞源區(qū)均位于銷軸次表面邊緣處,裂紋由邊緣向心部擴展,裂紋擴展區(qū)以韌窩形貌為主,裂紋快速擴展區(qū)以解理形貌為主,斷面上可見大量平行的圓弧貝擴紋,呈低周疲勞斷口形貌特征[6]。最后瞬斷區(qū)為扇形解理形貌,為快速撕裂形貌特征?？拷鼣嗫谶吘壧幋嬖诿黠@的擠壓、磨損等損傷,符合疲勞斷口形貌特征。。 

在工作過程中,銷軸主要承受循環(huán)彎曲載荷,最大彎曲應(yīng)力應(yīng)在銷軸中間位置一側(cè)的表面上。銷軸表面鍍鉻層和淬硬層均具有較高的強度和硬度,但韌性較差。鍍鉻層間的帶狀溝槽、剝落后形成的凹坑及剝落過程中產(chǎn)生的伴生二次裂紋均會在銷軸外表面形成應(yīng)力集中區(qū),裂紋在銷軸外表面應(yīng)力集中處萌生,沿淬硬層周向向兩邊快速擴展。周向裂紋在交變載荷作用下,沿作用力方向擴展,形成雙源疲勞開裂。當銷軸剩余有效強度不足時,銷軸發(fā)生一次性快速斷裂。 

3.   結(jié)論

銷軸斷裂原因為：在運行過程中,銷軸外表面應(yīng)力集中處萌生裂紋,裂紋沿淬硬層周向向兩邊快速擴展,并匯合導(dǎo)致表面一周開裂；在交變載荷作用下,周向裂紋沿作用力方向擴展,形成雙源疲勞開裂；當銷軸剩余有效強度不足時,銷軸發(fā)生一次性快速斷裂。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)