分享：20CrNiMo钢销轴断裂原因

马 赟1,唐 倩2

(1.中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,常州 213011;2.中车戚墅堰机车有限公司,常州 213011) 

摘 要:20CrNiMo钢销轴在服役过程中轴身部位发生断裂。采用化学成分分析、断口分析、金 相检验和硬度测试等方法对销轴断裂原因进行了分析。结果表明:该销轴断裂为应力集中条件下 的多源疲劳断裂,销轴轴身外表面经激光打标后产生二次淬火组织、二次回火组织和结晶裂纹,在 安装和服役载荷的共同作用下,销轴轴身断裂。

关键词:销轴;激光打标;结晶裂纹;应力集中;疲劳断裂 

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)09-0062-04

在服役过程中,某公司生产的销轴轴身部位发 生断裂。该销轴材料为20CrNiMo钢,生产工艺为: 精车→渗碳淬火→磨削轴径表面(轴身不再机加工) →轴身激光打标批次号,该销轴服役约2个月后发 生断裂。热激光打标标识批次号码的原理是:将具 有较高能量密度的激光束照射在被加工材料的表面 上,材料表面因吸收激光能量而温度上升,并产生变 态、熔融、烧蚀、蒸发等现象,从而使表面显示出所需 刻蚀的图案、文字。热激光打标标识批次号码的优 点是可在多种材料表面打上永久、高质量的标记,但 这种高温熔融、烧蚀的打标方式并不适用于高碳、高 硬度的工件表面。 为查明该销轴断裂的原因,笔者对该断裂销轴 进行取样分析,并提出了相应的改善措施。

1 理化检验 

1.1 宏观观察

图1为断裂销轴试样宏观形貌,断裂位置为销 轴非磨削加工轴身处,该处轴身外表面存在激光打 标批次号,服役过程中无与之接触的配合件,销轴断 裂位置附近表面未见异常冲击与磨损痕迹,未见明 显塑性变形。图2为断裂销轴断口宏观形貌,其 A, B断口均呈银灰色金属光泽,与轴线约呈45°,整个 A 断口均可观察到明显的贝纹线特征,贝纹线分布 方向基本平行于轴身表面,A 断口断裂起始于该处 轴身外表面;B断口呈结晶状,具有脆性断裂特征;C 断口垂直于轴线,受挤压磨损而破坏,断口有效信息 缺失。因为销轴在服役过程中主要承受扭转载荷, 并基于断口的宏观形貌特征,推测 A 断口最先发生 开裂。

1.2 化学成分分析 

在断裂销轴基体取样进行化学成分分析,结果 如 表1所 示 ,可 见 断 裂 销 轴 各 元 素 含 量 均 符 合 图2 断裂销轴断口宏观形貌 GB/T3077—2015《合金结构钢》对20CrNiMo钢 化学成分的要求

1.3 断口分析

将断裂销轴的断口经乙醇超声清洗后,用扫描 电镜(SEM)进行观察,A 断口裂纹源的 SEM 形貌 如图3所示。由图3可知:A 断口的裂纹源位于轴 身外表面处,裂纹源区存在多处呈扇形的异常区域, 扇形异常区域边缘最深约为0.17mm,呈树枝状圆 滑结晶形貌,与树枝状圆滑结晶形貌相邻断口为较 窄的沿晶形貌,断口其他区域为准解理+疲劳辉纹 形貌。图4为 A 断口轴身批次号码区域的SEM 形 貌,由图4可知:A 断口裂纹源区域轴身表面的机加 工刀痕较明显,激光打标批次号码的 SEM 形貌呈 圆滑结晶状,符合金属高温熔融后的自由结晶形貌 特征[1],局部区域可观察到裂纹缺陷,批次号码打标 位置与 A 断口裂纹源的扇形异常区域在同一位置。 表2为销轴 A 断口扇形异常区域的能谱分析结果, 该区域组成的元素及含量与基体基本一致,未见夹 杂类的特征元素。图5销轴 B 断口的 SEM 形貌, 该区域的微观形貌以韧窝为主。

1.4 金相检验 

根据GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含 量的测定 标准评级图显微检验法》,对销轴试样基体 非金属夹杂物进行分析,可知其非金属夹杂物级别 为:A类1.0级,D类0.5级,材料的纯净度较好[2]。 平行于销轴 A 断口取样,将试样磨抛、侵蚀后 观察其裂纹源所在轴身表面及正常表面的显微组 织,结果如图6所示。由图6可知:轴身批次号码处 的显微组织表面起伏不平,最表层组织为浅色二次 淬火马氏体,二次淬火马氏体组织中存在裂纹缺陷, 二次淬火马氏体组织边缘为深色二次回火马氏体, 其他区域组织为细针状马氏体+残余奥氏体;正常 表面显微组织的表面起伏不平,机加工刀痕明显,该 处表层存在深度约为10 层组织为细针状马氏体 μm 的非马氏体组织,次表 +约10%残余奥氏体,马氏 体针长约为12μm,为正常的渗碳淬火组织;心部显 微组织为低碳马氏体+少量贝氏体+少量铁素体。

图7为销轴 A 断口裂纹源所在轴身表面及正 常表面的硬度梯度曲线,轴身表面的有效硬化层深 度为0.885mm,但其表面硬度曲线呈“V”形起伏分 布,这与批次号码处经二次淬火+二次回火处理有关;正常表面有效硬化层深度为0.751mm,硬度梯 度曲线自然平滑,无异常起伏。

2 综合分析

该销轴断裂于非磨削加工的轴身处,该处轴身 外表面存在激光打标批次号码,销轴 A,B断口均与 轴线约呈45°,A 断口为起始于轴身外表面的疲劳 断裂,B断口为脆性断裂,C断口垂直于轴线。销轴 表面经渗碳淬火处理,表面塑性和韧性较差,在扭转 载荷作用下,表面与轴线成45°方向上的拉应力最 大(等于横截面上的最大剪应力)。随着服役载荷不 断增加,因其表面的抗拉能力较差而发生开裂,开裂 沿近似45°螺旋线扩展,这与销轴在 A,B 断口的开 裂特征一致。结合 A,B,C 断口的形貌可知,A 断 口最先发生开裂,扩展至销轴内孔表面后,因其有效 承载面积变小,在服役载荷作用下,短时间内先沿 B 面开裂,有效承载面积进一步减小,而销轴心部仍保 持了较高的塑性和韧性,抗拉能力较高,抗剪切能力 变差,继而在扭转切应力作用下沿 C 面发生横向脆 性断裂。 对销轴断口进行 SEM 观察后发现,销轴 A 断 口的扇形异常区域边缘的结晶断口符合激光打标高 温熔融结晶裂纹断口特征,与结晶形貌断口相邻的 为沿晶形貌断口,A 断口其他区域为准解理+疲劳 辉纹形貌,符合疲劳断口形貌特征。A 断口的沿晶 形貌区域位于销轴渗碳层内,因为渗碳层内的碳元 素含量高,所以其硬度高,并且在高温渗碳过程中晶 界往往容易受到氢损伤,因此渗碳层的疲劳裂纹往 往呈沿晶扩展特征[3]。 由金相检验结果可知:销轴正常表面的机加工 刀痕明显,正常表面的非马氏体组织、次表层组织均 为正常的渗碳淬火组织,其由表面到心部的硬度梯 度曲线平滑降低,其渗碳淬火处理工艺正常。销轴 A 断口裂纹源所在轴身批次号码处的表层组织为浅 色二次淬火马氏体,二次淬火马氏体组织中存在裂 纹缺陷,二次淬火马氏体组织边缘为深色二次回火 马氏体,远离裂纹源区域的组织为正常的渗碳淬火 组织,说明激光打标批次号码处存在热损伤组织和 裂纹缺陷。销轴 A 断口裂纹源所在轴身批次号码 处表面的硬度梯度曲线呈“V”形起伏分布,这与激 光高温熔融打标造成的二次淬火+二次回火有关。 

3 结论及建议 

该销轴断裂模式为应力集中条件下的高应力疲 劳断裂,其疲劳开裂起始于销轴表面激光打标批次 号码导致的结晶裂纹。该销轴在经渗碳淬火处理 后,轴身表面采用热激光打标来标识批次号码,这极 易在工件表面形成二次淬火+回火的烧伤组织,甚 至形成结晶裂纹,增加了标识位置的应力集中系数, 改变了烧伤位置的应力分布状态,增加了其开裂风 险,从而使工件的疲劳强度和寿命降低。 建议将激光打标位置移至轴端侧面的低应力载 荷作用区域,避免增加高应力区域的应力集中系数, 降低销轴表面的疲劳强度。采用喷墨打标方式代替 热激光打标,减少对工件表面的热损伤。降低销轴 轴身表面的粗糙度,减少机加工刀痕深度,降低轴身 表面的应力集中系数,进一步降低其开裂风险。

参考文献: [1] 姜锡山,赵晗.钢铁显微断口速查手册[M].北京:机 械工业出版社,2010. [2] 蔺海荣.材料力学[M].北京:国防工业出版社,2003. [3] 王荣.失效机理分析与对策[M].北京:机械工业出版 社,2020.