主轴表面开裂是什么原因

作者所在公司生产的一级公路运输车左右半轴总成，在喷砂处理后准备喷底漆时发现10件产品中有7件产品表面存在裂纹。裂纹分为两种形态，一种裂纹位于轴本体并沿轴向扩展，另一种裂纹位于焊缝附近并沿焊缝熔合线扩展。问题发生后，工厂高度重视，选取了一件轴本体开裂件（1#）和一件焊缝开裂件（2#）进行分析。

主轴所用材料为45CrNiMoVA，属碳含量较高，并含有较多合金元素的高强度合金钢。该种材料淬硬倾向很大，热影响区冷裂倾向也很大，且焊接性差。轴的加工流程为：棒材粗加工→主轴与滑块支座采用手工氩弧焊连接（焊缝为环形插接角焊缝）→焊接后立即进行退火处理→探伤→调质处理（硬度要求为33~38HRC）→校正→喷砂→精加工。01宏观观察两件轴裂纹的宏观形貌如图1所示，对两件轴进行部分分解后，采用目视及体视显微镜对两件轴表面裂纹分别进行观察。图1

两件轴分解的宏观形貌1#轴表面裂纹位于轴本体上并基本沿轴向扩展（尾部存在弧线拐弯），裂纹在深度方向上沿径向扩展，裂纹中部已经穿透了所取试样的厚度（厚约30mm），如图2所示。图21#轴表面裂纹宏观形貌2#轴表面裂纹沿主轴一侧的焊缝熔合线扩展，所取试块焊缝熔合线位置均存在开裂现象（长约1/2周），进一步放大观察裂纹由多条断续微裂纹组成，如图3所示。图32#轴熔合线裂纹宏观形貌剖面观察，主裂纹上存在明显分插裂纹；主轴焊缝底部熔合线也已开裂，从裂纹的走向判断，该裂纹起源于角焊缝底部应力集中区，剖面裂纹宏观形貌及走向如图4所示。图42#轴裂纹剖面宏观形貌02断面宏观观察采用机械方法将两件轴上裂纹打开后进行观察，1#轴裂纹断面较平坦，断面呈黑色，局部呈红褐色，源区位于次表面，表面存在明显的剪切唇（剪切唇厚度较薄），如图5所示；2#裂纹断面凹凸不平，裂纹沿熔合线扩展，断面主要呈黑色，局部呈红褐色，源区位于表面，为多源起裂，如图6所示。（a）（b）

图51#轴断面宏观形貌（a）（b）

图62#轴断面宏观形貌03断面微观观察将断面置于扫描电镜下进行微观形貌观察，两个轴断面的微观形貌相似，整个断面均附着一层较厚的氧化物，仅局部区域断面隐约可见沿晶形貌，如图7、图8所示。（a）（b）图7

两件轴断面氧化物（a）（b）

图8

两件轴断面下方隐约可见沿晶形貌将断面氧化物清洗后观察：1

#轴断面源区位于次表面，源区及扩展区呈沿晶形貌，表面剪切唇呈韧窝形貌，如图9所示；2#轴整个断面均呈沿晶形貌，如图10所示。以上形貌特征表明两个轴的开裂模式均为脆性开裂，且裂纹断面存在严重的氧化。（a）（b）断面沿晶形貌（c）源区（d）（a）剪切唇韧窝形貌（b）源区沿晶形貌图91#轴断口微观形貌（a）（b）扩展沿晶形貌（c）源区（d）（e）源区沿晶形貌图102#轴断口微观形貌04能谱分析对断面氧化物进行能谱分析，主要含有O、Fe元素，为基体氧化物，能谱图如图11所示。图11

氧化物能谱图对轴基体进行能谱分析，结果表明轴基体主合金元素及含量符合45CrMoVA的要求，能谱图及定量结果如图12和表1所示。图12

基体能谱图表1

基体能谱定量结果05金相及硬度分析在两件轴裂纹附近分别取样制备成金相试样进行组织观察，两件轴基体内部非金属夹杂较少，其氧化物级别均为一级（按照GB/T10561—2005）；基体组织一致，均为回火屈氏体组织；两个轴表面均存在明显的脱碳现象，1#脱碳层深度约0.16mm，2#轴脱碳层深度约0.14mm，如图13所示。两个轴裂纹均沿晶扩展，裂纹内部均可见明显的氧化物，裂纹两侧未见明显的脱碳现象，主裂纹两侧存在多条沿晶分叉微裂纹，如图14、图15所示。对两件轴基体分别进行显微硬度测试（结果详见表2），两件轴的显微硬度均比设计要求高。（a）1#轴表面脱碳（b）2#轴表面脱碳图13

两件轴表面脱碳形貌（a）（b）图152#轴裂纹附近组织形貌表2

显微硬度测试结果06结果分析与讨论（1）能谱分析结果表明，轴所用材料主合金元素及含量符合设计45CrMoVA牌号的要求，金相分析结果表明轴基体内部未见超标的氧化物夹杂等材料缺陷。（2）裂纹断面观察结果表明，1#轴断面较平、源区位于次表面，2#轴断面相对粗糙，源区位于表面，两件轴断面均断面附着一层较厚的黑色基体氧化物，原始断口形貌已观察不到。断面清洗后发现两个断面源区及扩展区均呈沿晶形貌。以上断口形貌特征表明两件轴的开裂模式均为脆性开裂，且断面发生了严重的高温氧化。（3）金相分析结果表明，两件轴表面均存在脱碳现象，但裂纹两侧未见明显的脱碳现象，裂纹均沿晶扩展，并可见沿晶分叉微裂纹；而且两件轴的硬度均比设计要求高。以上形貌及测试结