工程機(jī)械銷(xiāo)軸斷裂原因

范全保,李金波,李仕超,李 昂

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司 技術(shù)中心,邯鄲 056015)

焊接工藝是熱加工工藝中最容易產(chǎn)生缺陷的工藝之一，由于鋼的淬硬性，材料中的氣體氫、雜質(zhì)以及焊接應(yīng)力等因素的影響，焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋等缺陷，使焊接結(jié)構(gòu)件存在失效的隱患[1-2]。

工程機(jī)械銷(xiāo)軸是機(jī)械零部件間的連接元件，承受較大單向彎曲載荷、剪切應(yīng)力或擠壓應(yīng)力等[3]。某工程機(jī)械銷(xiāo)軸由40Cr鋼軸與Q235B鋼套管焊接而成，服役條件較差，長(zhǎng)期暴露于潮濕和水泥粉塵的環(huán)境中，3個(gè)月后發(fā)生斷裂。為找到銷(xiāo)軸斷裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析，以期為焊接工藝的改進(jìn)和預(yù)防銷(xiāo)軸斷裂提供幫助。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

該工程機(jī)械銷(xiāo)軸于40Cr鋼軸與Q235B鋼套管焊接處斷裂，將40Cr鋼軸沿?cái)嗔衙娣譃閮刹糠郑瑑蓚?cè)斷面分別稱(chēng)為斷面A和斷面B。由圖1所示的斷口宏觀形貌可見(jiàn)，裂紋源位于焊接焊縫處，沿40Cr鋼軸的橫截面擴(kuò)展，斷口宏觀平直呈放射狀花樣，具有明顯脆性斷裂特征。

圖1 斷裂銷(xiāo)軸的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured pin shaft

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂銷(xiāo)軸取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見(jiàn)其化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)40Cr鋼成分的要求，但磷、硫等雜質(zhì)元素含量相對(duì)偏高，雖未超出標(biāo)準(zhǔn)要求但高于正常生產(chǎn)時(shí)內(nèi)部控制要求(磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.020%,硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.015%)。

表1 斷裂銷(xiāo)軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the cracked pin shaft (mass fraction) %

1.3 金相檢驗(yàn)

從斷面B沿裂紋源縱向切開(kāi)，制作矩形塊狀試樣，試樣經(jīng)拋光、浸蝕后觀察其顯微組織。在其右上角的裂紋源附近發(fā)現(xiàn)有與母材浸蝕著色程度不同的異常組織，如圖2所示。

圖2 取樣位置及異常組織Fig.2 Sampling position and abnormal microstructure

進(jìn)一步放大觀察，可見(jiàn)裂紋源附近異常組織為以馬氏體為主的焊接熱影響區(qū)組織，母材區(qū)顯微組織為鐵素體+珠光體，如圖3所示。

圖3 裂紋源附近的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology around the crack source

圖4 焊點(diǎn)附近的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology around the solder joint

圖5 熱影響區(qū)的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of heat affected zone

切取斷面上帶有焊縫的試樣并觀察其顯微組織形貌，如圖4所示，可見(jiàn)試樣存在界面清晰的典型焊接形貌分區(qū)，包括焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。

進(jìn)一步觀察熱影響區(qū)的顯微組織形貌，如圖5所示，可見(jiàn)熱影響區(qū)中接近焊縫區(qū)的組織為粗大的馬氏體，是焊接過(guò)程高溫導(dǎo)致奧氏體晶粒粗化而形成的過(guò)熱區(qū)，這一區(qū)域晶界脆性較大；向內(nèi)組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛杉?xì)小馬氏體組成的細(xì)晶區(qū)；靠近母材區(qū)組織是由細(xì)小馬氏體和顆粒狀鐵素體組成的混合組織，為不完全淬火區(qū)，具有一定的強(qiáng)度和韌性。

對(duì)圖5所示熱影響區(qū)中的過(guò)熱區(qū)放大觀察，如圖6所示，在粗大馬氏體組織內(nèi)發(fā)現(xiàn)了沿晶分布的裂紋缺陷，可判斷為應(yīng)力斷裂。

圖6 熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of overheatedzone in heat affected zone

進(jìn)一步放大觀察圖4所示帶有焊縫的試樣，如圖7所示，可見(jiàn)在熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的界面處有一條寬度約30 μm的深色焊接熔合帶，帶內(nèi)存在雜質(zhì)富集的現(xiàn)象，可進(jìn)一步判斷銷(xiāo)軸斷裂起始于熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)與焊縫區(qū)的界面處。

圖7 焊縫區(qū)和熱影響區(qū)界面處的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of the interface between weld line zone and heat affected zone

2 分析與討論

2.1 斷裂銷(xiāo)軸裂紋源分析

通過(guò)化學(xué)成分分析可知該銷(xiāo)軸的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)40Cr鋼成分的要求，但母材中磷、硫等雜質(zhì)元素含量相對(duì)偏高，對(duì)于焊接質(zhì)量存在隱患。因?yàn)榱缀土蛟貢?huì)使母材結(jié)晶溫度區(qū)間增大，并極易引起偏析而形成各種低熔點(diǎn)共晶體，增大斷裂傾向。

由斷裂銷(xiāo)軸斷口宏觀形貌可見(jiàn)明顯的放射狀花樣，為脆性斷裂特征，判斷起裂源于銷(xiāo)軸表面的焊接焊點(diǎn)附近。另外，銷(xiāo)軸發(fā)生斷裂時(shí)所受載荷低于設(shè)備額定載荷，所受應(yīng)力低于材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度，為低應(yīng)力脆斷。

根據(jù)對(duì)斷裂銷(xiāo)軸的顯微組織觀察，結(jié)合40Cr鋼屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，淬硬傾向大的特點(diǎn)[4],分析是由于銷(xiāo)軸在焊接后冷卻速度過(guò)快，形成了以馬氏體為主的焊接熱影響區(qū)組織[5-7]。馬氏體組織硬度高、脆性大，它的存在使得焊縫塑性降低、應(yīng)力增大，在焊接快冷條件的收縮應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生應(yīng)力裂紋缺陷[8-10]。同時(shí)，在熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)的粗大馬氏體組織內(nèi)發(fā)現(xiàn)了沿晶裂紋缺陷，以及在熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的界面處有一條寬度約30 μm的深色焊接熔合帶，帶內(nèi)存在雜質(zhì)富集的現(xiàn)象，可進(jìn)一步判斷銷(xiāo)軸斷裂起始于熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)與焊縫區(qū)的界面處。

2.2 焊縫熔合帶分析

裂紋源顯微組織分析顯示在熱影響區(qū)和焊縫區(qū)界面處存在一條熔合帶，帶內(nèi)由于雜質(zhì)富集在銷(xiāo)軸服役受力過(guò)程中易形成微裂紋源。熔合帶是焊接接頭的薄弱區(qū)域，是易于造成局部脆性破壞的發(fā)源地[11]，加上熱影響區(qū)內(nèi)存在粗大馬氏體組織和應(yīng)力，在該區(qū)域兩種因素疊加作用使得微裂紋形成和擴(kuò)展。

3 結(jié)論及建議

(1) 該工程機(jī)械銷(xiāo)軸由于焊接過(guò)程中在熱影響區(qū)內(nèi)形成了淬硬的馬氏體組織，產(chǎn)生了較大內(nèi)應(yīng)力，加上焊縫和熱影響區(qū)界面熔合帶內(nèi)雜質(zhì)富集，形成微裂紋源，在外力作用下微裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致銷(xiāo)軸發(fā)生了脆性斷裂。

(2) 40Cr鋼屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，淬硬傾向大，容易在焊縫和熱影響區(qū)中產(chǎn)生裂紋，需通過(guò)控制焊接后焊縫區(qū)冷卻速度，或采用在焊接前對(duì)焊接金屬進(jìn)行預(yù)熱的方式，防止焊接后因冷卻速度過(guò)快導(dǎo)致淬火時(shí)形成馬氏體組織。

(3) 在選材和焊接前要保證焊接母材和焊接金屬面的潔凈。一方面需提高母材潔凈度，嚴(yán)格控制母材中磷、硫等雜質(zhì)元素的含量；另一方面需保證焊接前焊接金屬面的潔凈，避免焊接過(guò)程中油污、銹跡等雜質(zhì)在熔合帶內(nèi)富集，形成潛在裂紋隱患。