分享：42CrMo钢轴箱端盖疲劳断裂原因

王丹丹1,马 宇1,史秀莲1,宋冬雪2,周胜鹏3 

(1.锦州捷通铁路机械股份有限公司,锦州 121001;2.大连远东美连精工有限公司,大连 116000; 

3.四川飞纵电力设计有限公司辽宁分公司,沈阳 110000) 

摘 要:采用宏观分析、化学成分分析、力学性能检测、金相检验、扫描电镜断口分析等方法,对 42CrMo钢轴箱端盖的断裂原因进行了分析。结果表明:该轴箱端盖的断裂为多源性振动疲劳断 裂,造成疲劳断裂的主要原因是在交变拉压振动的应力作用下,螺栓沉头孔内角圆周处发生应力集 中,导致了多源性振动疲劳裂纹。

关键词:42CrMo钢;轴箱端盖;多源疲劳断裂;应力集中 

中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)08-0043-03

某批次轨道列车车辆转向架轴箱端盖在经过近 240h的疲劳试验后,3个轴箱端盖均发生了断裂, 且断裂时间远低于原本预测的时间。据调查,端盖 材料为中碳低合金42CrMo钢板材,其坯料经锻造 后进行了正常的退火和调质处理,再进行机械加工 而制成。 笔者采用宏观分析、化学成分分析、力学性能检 测、金 相 检 验、扫 描 电 镜 断 口 分 析 等 方 法,对 42CrMo钢轴箱端盖的断裂原因进行了分析。结果 表明:该轴箱端盖的断裂为多源性振动疲劳断裂,造 成疲劳断裂的主要原因是在交变拉压振动的应力作 用下,螺栓沉头孔内角圆周处发生应力集中,导致了多源性振动疲劳裂纹。

1 理化检验

1.1 宏观观察 

图1 断裂轴箱端盖的宏观形貌 断裂轴箱端盖的宏观形貌如图1所示,断裂部 位为与负载相连接的端盖侧板上的两个螺孔处。 轴箱端盖断口及周边宏观形貌如图2所示。轴箱 端盖断口宏观形貌如图2a)所示,沉头孔的径向另一侧 边缘[图2a)中箭头所指]有一条窄的韧性断裂条带。 整个断口呈凹凸不平状,可见明显的裂纹源区(断口的 沉头孔边缘)、裂纹扩展和碾压变形区、最后瞬断区。 由图2b)可知,断口处端盖右侧板上分布两个 相距很近的沉头孔,沉头孔根部没有圆滑过渡,而是 呈尖锐 的 直 角。 整 个 断 口 上 无 明 显 的 塑 性 变 形 痕迹。 由图2c)可知,断口上沿沉头孔断裂边缘向外 分布着许多放射状台阶条纹,这些应该是发生开裂 的裂纹源点。 

将断裂的轴箱端盖沉头孔部位进行酸蚀检验, 按照 GB/T226—2015 《钢的低倍组织及缺陷酸蚀 检验法》,采用体视显微镜对两个沉头孔的边缘区域 进行观察分析,断口形貌如图3所示。 

由图3可知,端盖弯板上两个沉头孔的内角处 存在许多微裂纹,且这些微裂纹垂直于内角线或沿 内角线上沿 45°倾斜方向扩展,这说明在疲劳试验 过程中,沉头孔的尖角处除了受到拉压交变应力外, 同时还受到单向交变的扭转应力作用。

1.2 化学成分分析 

在开裂轴 箱 端 盖 断 口 处 取 样,对 其 进 行 成 分 分析,分析仪器为 LabSpark750型火花直读光谱 仪,结果如表1所示。由表1可知,断裂轴箱端盖 材料 为 42CrMo钢,其 化 学 成 分 完 全 符 合 GB/T 17107—1997 《锻件用结构钢牌号和力学性能》的 标准要求。

1.3 力学性能测试 

按照相关检验标准 GB/T228.1—2010 《金属 材料 拉伸 试 验 第 1 部 分:室 温 试 验 方 法》、GB/T 229—2007 《金 属 材 料 夏 比 摆 锤 冲 击 试 验 方 法》、 GB/T231—2009《金属材料 布氏硬度试验 第1部 分:试验方法》分别制作轴箱端盖的拉伸、冲击、布氏 硬度试样。拉伸试样为?10mm 标准试样,采用计 算机控制 GNT300型电子万能试验机进行拉伸性 能测试;制作3根规格为10mm×10mm×55mm 的冲击试样,采用 NI300C 型摆锤式冲击试验机进 行 常 温 U 型 口 冲 击 试 验;用 荷 兰 NEXUS 3001XLM-IMP型布氏硬度计进行布氏硬度测试。 轴箱端盖的力学性能测试结果如表2所示,由表2 可知,试样的抗拉强度和屈服强度低于该钢的标准 值,其他性能数据均符合标准要求。

1.4 金相检验 

在轴箱端盖正常部位和断口处磨损最严重区分 别取样,磨制成金相试样后,用 Axioobserver型金 相显微镜进行非金属夹杂物分析。发现正常处和断 口处均有少量的灰色硫化物和球状氧化物,按标准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》进行夹杂物级别评定, 其中 A 类细系0.5级、D 类细系0.5级。该断裂端 盖材料的非金属夹杂物含量级别较低,这说明夹杂 物不是导致产品断裂的原因

对轴箱端盖正常部位和断口处进行金相检验, 结果如图4所示,由图4可知,试样正常部位和断口 处的显微组织完全一致,皆为均匀的回火索氏体+ 少量回火贝氏体组织,属于具有中淬透性的合金结 构钢的正常调质组织,按国标 GB/T13320—2007 《钢质模锻件 金相组织评级图及评定方法》进行显 微组织级别评定,均为2级,符合标准要求。 

在图2b)箭头所指位置的截面取样,沉头孔内 角处截面的微观形貌如图5所示,可见沉头孔内角 周向存在大量呈放射状向内扩展的微裂纹,属于明 显的应力集中裂纹,裂纹深度为348μm。尖角微裂 纹和平面宏观裂纹的两侧组织正常,均不存在脱碳 层,裂纹内无氧化物填充,这说明裂纹的形成与热处 理无关,而是在后期的疲劳试验中产生的。 

1.5 扫描电镜分析

在轴箱端盖断裂处取断口试样,经超声波清洗 后,用Sigma300型扫描电镜进行观察与分析,发现 在裂纹扩展区表面存在密集且平行分布的疲劳辉纹 (见图6),同时有大部分区域存在磨损和冲压留下 的表面浅层塑性变形,该断裂属于疲劳断裂,其裂纹 源起源于沉头孔的尖角处。 

2 分析与讨论 

综合各项检验结果可知,轴箱端盖的断裂原因 有结构设计及材料性能两方面原因。 结构设计原因:端盖侧弯板是悬臂梁,在试验和 使用过程中,其承受一定的应力,在螺栓紧固的情况 下,受力的作用点是两个螺孔周边平面,如果螺栓连 接处于松动状态,则其受力点为包括螺孔的上下侧 壁,此处将承受较大的应力。如果螺孔的结构形状 设计不当且存在尖角,在尖角处就极容易形成集中 应力。该断裂件的螺孔设计成下凹的沉头孔,且沉 头孔的内角是车削加工的直角,无圆滑过渡,尖角处 有明显粗大的刀痕。在交变应力反复作用下,在尖 角处极易产生应力集中而形成微裂纹。同时,弯板 平面上的两个螺栓的间距过近,这将促进裂纹扩展 后的断裂进程。 材料性能原因:拉伸试验结果表明,端盖材料的抗 拉强度和屈服强度比标准要求低。如果螺纹沉头孔内 角发生应力集中,则外加应力会加速微裂纹的形成。 综上所述,在高频率、长时间的交变应力作用 下,在圆周各处形成了均匀一致的多点微裂纹,即构 成多点裂纹源。随着试验时间的延长,这些裂纹源 的微裂纹逐渐向前扩展而开裂,在长时间的高频率 交变拉压应力下,已经开裂的裂口也会上下反复碰撞,最终造成断口扩展区表面层的受压变形与磨损。 由于裂纹逐渐扩展,开裂面积不断增大,最后当剩余 面积上所受的拉应力超过材料的强度时,就发生了 瞬时断裂[1-5]。

3 结语与建议

(1)轴箱端盖在疲劳断裂早期所发生的断裂属 于应力集中导致的多源性振动疲劳断裂,应力集中 是由螺栓沉头孔上的尖角受到较高的应力引起的。 (2)建议将轴箱端盖侧弯板上的两个沉头螺栓 孔改成平面凸台,以减少应力集中,并调整调质热处 理的回火温度,以提高材料的强度。

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