销轴断裂失效分析.docx

网络出版时间：2013-12-28 11:06网络出版地址：/kcms/detail/33.1331.tj.20131228.1106.023.html销轴断裂失效分析高彤 1，张文兵 2，董霞 1，刘科虹 1，米文先 3，张秀萍 1（内蒙古北方重工业集团有限公司 1.计量检测技术研究院；2.机电公司：内蒙 包头 014033； 3.内蒙古第一机械集团有限公司 计量检测中心，内蒙 包头 014033）摘 要 针对重型汽车方向盘连接定位销轴使用 700 h 左右发生断裂事故，通过综合检测结果及分析判断，确定了销轴断 裂的原因。结果表明：销轴未履行表面感应淬火工序，使零件表面没有硬化层，产生脱碳现象，降低了销轴的抗疲劳性 能，过早诱发裂纹源，导致销轴提前发生高周低名义应力双向弯曲疲劳断裂；销轴调质热处理效果不佳以及带状组织偏 析的存在，加剧缩短疲劳裂纹扩展进程，引起销轴使用寿命降低。关键词 销轴；脱碳；有效硬化层；低名义应力；高周低应力双向弯曲疲劳断裂中图分类号 tg141 文献标志码 文章编号 1004-244x（2014）01-0122-03failure analysis of pin rollgao tong1，zhang wenbing2，dong xia1，liu kehong1，mi wenxian3，zhang xiuping1（1.measurement and testing technology institute；2.electromechanical company， inner mongolia north heavy industries group limited company：baotou 014033，china；3.metering and testing center，inner mongolia first machinery group limited company，baotou 014033，china） abstract fractures in quantities occur to the pin roll，used for connecting and positioning the steering wheel of heavyduty carafter being successively used for about 700 h. through the analysis of fracture，it is judged that the pin roll did not undergosurface induction quenching process， which leads to the parts surface without hardened layer， even decarburization phenomenon. therefore，the fatigue resistance of pin roll reduces，and the fracture source is early induced，resulting in high cycle low nominal stress twoway bending fatigue fracture. besides，the bad effect of tempering heattreatment and the existence of band structure segregation shorten the fatigue crack propagation process，and resuce the service life of pin roll.key words pin roll；decarburization；effective hardened layer；low nominal stress；high cycle low stress two way bending fatigue fracture销轴在汽车领域中应用广泛，用于连接部位销轴 的制造加工已经是成熟技术，但是因销轴的失效仍然 时常发生，某集团有限公司生产的重型矿用车，在路 况较好的情况下服役 700 h 左右销轴基本都发生断 裂。针对销轴的批量断裂失效，通过对断口形貌和微 观组织观察以及化学成分分析和销轴表面硬度测定， 确定连续多起销轴断裂失效性质和产生原因，为合理 解决跨国贸易技术争端提供了有力证据。1销轴生产制造工序及热处理工艺断裂销轴材料为 42crmo，生产制造工序为：锻造调质（淬火、高温回火）机械加工中频表面淬火 低 温 回 火 。 产 品 技 术 要 求 符 合 标 准 gb/t 3077 1999合金结构钢。2理化检测分析2.1 宏观断口分析销轴断裂失效部位形貌，如图 1 所示。可见，销轴断裂发生在该零件球头与锥杆之间的锥度区域，靠近 球头约 1/3 位置，为横向断裂。c区b a1区d1图 1 销轴断裂形貌图 2 销轴断口形貌fig.1 picture of fractured pinfig.2 fracture morphology of pin销轴断口形貌，见图 2。断裂起始于销轴外边缘 c、d 位置，相对向内部扩展，扩展区有明显的贝壳状花 样，观察断口 c、d 两个裂纹源及扩展区区和区发 现：1）两处裂源对应的疲劳扩展区域面积不等，裂纹 d 对应的区疲劳条纹扩展面积明显大于区，表明裂收稿日期：2013-05-22；修回日期：2013-09-22 作者简介：高彤，女，高级工程师；主要从事金属材料金相检验与失效分析工作。e-mail：。第 1 期高彤等：销轴断裂失效分析 123纹源 c、d 扩展不平衡，裂纹形成时期不同及扩展速率 不等；2）从断口可以看出，扩展初期贝壳状条纹细密， 扩展后期贝壳状条纹粗糙，显然裂纹扩展速率呈加快 趋势；3）销轴断裂呈现低名义工作应力、双向弯曲、非 对称的疲劳断裂特征；4）区扩展区断口上位于销轴 边缘分别有 a、b 处二次裂纹源，裂纹扩展方向与主裂 纹扩展方向不同。2.2 化学成分分析对取样进行化学成分分析，钢中 c、si、mn、p、cr、 s、mo 元素均在技术要求范围内。2.3 力学特性测试在断裂销轴上切取纵向拉伸、冲击试样进行力学 特性检测，对比结果见表 1。可得出，销轴屈服强度、 抗拉强度偏低均没有达到产品技术要求，是断裂原因 之一。1.5e、2.0e 级。试样经 4%硝酸酒精溶液浸蚀后观察，销轴表面有 脱碳现象，脱碳层深为 0.57 mm，见图 4。脱碳使表层 处于拉应力状态，降低了疲劳强度和耐磨性，是断裂原 因之二；微观组织还存在严重的偏析现象，呈带状分 布，按照 gb/t 132991991钢的显微组织评定方法 标准评定，带状组织达到 4.0 级，见图 5。对偏析区放 大观察，微观组织不同，白色区域为回火索氏体+索氏 体，深色区域为回火索氏体+贝氏体+少量索氏体，碳 化物数量多于白色区域。100 m图 4 销轴表面脱碳形貌fig.4 surface decarburization morphology100 m图 5 组织偏析fig.5 microstructure segregation表 1 力学特性检测结果对比table 1 test results of mechanical properties对比 检测结果gb/t 30771999屈服强度rel/mpa791930抗拉强度rm/mpa9301 080伸长率a/%22.012收缩率z/6745冲击功（室 温）ku2/j130632.4 表面硬度检测和淬硬层深度检测销轴技术要求规定，最终热处理采用表面感应淬 火+中温回火，淬硬层深度应达到 3.59.5 mm，表面硬 度50hrc，转换维氏硬度值为 502hv，有效硬化层处 极限硬度值为 401.6hv。hv 300硬度值 2001000 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0距表面距离/nm按照标准 gb/t 56172005钢的感应淬火或火焰 淬火后有效硬化层深度的测定，对该销轴试样进行淬 硬层深度检测。销轴感应淬火硬化深度指从硬度值 401.6hv 的点到销轴表面的距离，图 3 为测试的硬度 变 化 曲 线 。 可 以 看 出 ，测 试 点 的 最 高 硬 度 只 有 276.0hv，没有达到有效硬化层的极限硬度值，表明销 轴没有淬硬层深度，从硬度变化曲线也反映出销轴表 面硬度低于内部硬度。图 3 试样硬度-淬硬层深度曲线fig.3 curve of hardness vs. hardened layer depth2.5 微观组织分析在销轴边缘与断口相交的位置切取金相试样，磨 制纵向（即垂直断口表面），置于光学显微镜下观察，非 金属夹杂物按照 gb/t 105612005钢中非金属夹杂 物 含 量 的 测 定 标 准 评 级 图 显 微 检 验 法评 a、b 为2.6 微观断口分析将销轴断口超声波震荡仪清洗后，在扫描电镜下 观察微观断裂形貌，见图 6。断口区观察。由图 2 看出，区为裂纹源 d 及 其对应的扩展区，该区疲劳扩展区面积较大，扩展区断 口边缘还有 a、b 处二次裂纹源。在区断口主裂纹 源 d 处放大观察没有发现冶金缺陷，微观形貌见图 6a； 二次裂纹源 a 处观察，表面为不规则的凸起，凸起周围 疲劳纹清晰可见，微观形貌见图 6b；二次裂纹源 b 处观 察为平坦的凹形面，周围疲劳纹清晰可见，微观形貌见 图 6c；放大观察边缘位置有一半圆形凹坑，坑内有夹 杂物，微观形貌见图 6d；对夹杂物进行能谱成分分析， 含有 c、o、na、al、si、cl、ca、fe 等元素。断口区观察。疲劳扩展区面积明显比区小， 该区位置 c 为裂纹源，对裂纹源 c 处放大观察为相近 分布的两个半圆形凹坑，见图 6e；裂纹源周围可见疲124兵器材料科学与工程第 37 卷abcdef图 6 销轴断裂微观形貌fig.6 fracture morphologies of pin roll劳条纹，微观形貌见图 6f；对两个凹坑内进行能谱成分 分析，含有 o、na、al、si、fe 等元素。3断裂原因分析依据上述检测结果，认为销轴在使用过程中远没 有达到使用寿命、提前发生断裂的原因可能与以下几 个因素有关联。3.1 热处理不当，硬度偏低按照销轴热处理工艺要求应采用调质处理，若正 常调质处理后应该获得回火索氏体组织，使零件拥有 良好的综合力学性能。经对销轴检测，微观组织中出 现一定量的贝氏体和索氏体，说明销轴淬火时冷却不 足，没能够充分得到马氏体组织，出现了中温转变组 织产物贝氏体和索氏体，造成零件屈服强度、抗拉强 度不合格，降低销轴的承载能力和裂纹扩展塑性变形 功，缩短了零件的有效寿命。3.2 没有履行表面感应淬火工序销轴机械加工后应该进行中频感应淬火，其目的 是获得一定深度的硬化层，增加零件的表面硬度、耐 磨性和抗疲劳性能，但从测试的硬度曲线可以看出， 测试点的最高硬度只有 276.0hv，销轴表面硬度低于 内部硬度。按照销轴技术要求，表面维氏硬度应该达 到 502hv，显然销轴表面没有淬硬层深度，表明销轴 生产中没有履行表面感应淬火工序；销轴表面硬度偏 低，与显微观察表面出现脱碳现象吻合，是零件在调 质热处理过程中产生的。由此可以判定，销轴表面没有硬化层甚至出现脱碳是引发销轴疲劳寿命降低、提 前疲劳失效的直接原因。3.3 严重的带状组织，降低韧性销轴材质存在严重的偏析现象，带状组织达到 4.0 级。带状组织是一个不均匀组织因素，对后续淬火的 转变组织有相当大的影响，钢材中若存在严重的带状 组织，淬火加热时贫碳和富碳区会引起淬火组织不均 匀，使零件中的内应力增加；另外带状组织是造成钢 材各异性的主要原因，导致加工零件的横向塑性、韧 性明显降低，在使用过程中对疲劳断裂进程起到加速 推进作用。3.4 销轴断裂特征从宏观断口看出，疲劳断裂始于销轴相对的两个 外边缘 c、d 向内扩展，瞬时断裂区位于内部，而且分 布面积相对较小，疲劳条纹细密，可以判断销轴工作 中承受的载荷为双向弯曲低名义工作应力；疲劳扩展 区区、区的面积不等，裂纹 d 对应的区疲劳扩展 面积明显大于区，表明裂纹形成时期不同及扩展速 率不等，致使疲劳扩展不平衡，形成非对称的疲劳断 裂。区断面上 a 位置不光滑的凸起和 b 处凹形孔洞 及夹杂的存在，不构成主裂纹源，形成了二次裂纹源。4结论1）销轴过早断裂是多因素促成的，如强度偏低、 存在脱碳层、零件未履行表面感应淬火工序、致使表 面没有有效硬化层等。第37卷 第1期2014年1月兵器材料科学与工程ordnance material science and engineeringvol.37 no.1 jan.， 2014网络出版时间：2013-12-28 10:44网络出版地址：/kcms/detail/33.1331.tj.20131228.1044.019.html硬脆材料塑性区域加工研究综述崔丹，李淑娟（西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048）摘 要 硬脆材料具有良好的物理和力学特性，在航空航天和工业生产中得到广泛应用。但由于其高的硬度和脆性，使其 加工过程变得非常困难。塑性域加工方法的提出是解决硬脆材料加工过程中产生的缺陷的一种有效方法，因此硬脆材 料的塑性域和脆性域加工转换的临界条件获得广泛研究。从塑性域加工机理、塑性域加工模型、表面/亚表面损伤和塑性 域加工的影响因素对国内外的研究现状进行综述，提出了硬脆材料塑性域加工未来的研究方向。关键词 硬脆材料；塑性域加工；塑脆转换；临界条件中图分类号 th162文献标志码 文章编号 1004-244x（2014）01-0125-08review on ductile regime machining of hard and brittle materialscui dan，li shujuan（school of mechanical and instrumental engineering，xian university of technology，xian 710048，china）abstract hard and brittle materials have been widely used in aerospace and industry field due to its good physical and mechanical properties. but it is hard to machine this kind of material because of its high hardness and brittleness. ductileregime machining is an effective method to solve the defects in the processing of hard and brittle material. hence，the critical conditions of brittle ductile transition have been widely studied by domestic and foreign scholars. the current status of ductile regime processing mechanism，ductile regime processing model，surface/subsurface damage and the influencing factors on ductile regime machining is reviewed，and the future research directions of ductile regime machining for hard and brittle materials are proposed. key words hard and brittle materials；ductile regime machining；brittleductile transition；critical condition硬脆材料具有良好的物理和力学特性，已在航空 航天和工业生产中广泛应用。但由于其高的硬度和脆 性，加工表面容易产生裂纹等缺陷，传统加工方法，如 抛光，生产效率低，人为影响因素大，不易精确控制，难 以实现生产过程的自动化，并且抛光液对表面造成污 染，影响其表面层的物理性能。研究发现脆性材料在 一定条件下，会出现类似塑性材料的加工形式，被称为 脆性材料的塑性域加工。1954 年 king 等1在加工岩盐 的时候最早发现塑性域加工，在高的液体静压力作用下，岩盐在摩擦磨损时表现出塑性去除方式。传统的 加工方法容易产生微裂纹和亚表面损伤层2，然而，塑 性域加工和脆性材料