分享：軌道車輛抗側(cè)滾扭桿軸斷裂原因

一般采用抗側(cè)滾扭桿裝置調(diào)節(jié)軌道車輛安全運行所需的抗側(cè)滾剛度，以滿足車輛運行所需的脫軌系數(shù)和柔性系數(shù)要求[1]。扭桿軸作為抗側(cè)滾扭桿裝置的主要受力部件，其性能在很大程度上決定了整個抗側(cè)滾裝置的安全性。某型抗側(cè)滾扭桿軸材料為52CrMoV4鋼，棒材兩端鐓粗，扭桿軸中間部分噴丸。扭桿軸的主要生產(chǎn)工藝流程為：原材料（鋼廠）→來料檢測→下料→端部鐓粗→粗加工→標(biāo)識→熱處理→矯直→精加工→磁粉檢測→噴丸→裝配→油漆。在某型號52CrMoV4鋼扭桿軸的熱處理后矯直工序，該扭桿軸頻繁發(fā)生斷裂現(xiàn)象，同一熱處理爐斷裂多根扭桿軸，且斷口相似。為查明斷裂原因，筆者對斷裂扭桿軸進行了一系列理化檢驗，并結(jié)合生產(chǎn)工藝過程對斷裂原因進行分析，最后提出改進建議，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   斷口分析

將扭桿軸斷口切下，用超聲波清洗后，對斷口進行宏觀觀察。斷口宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：扭桿軸斷裂位置為桿件未鐓粗部位，斷口未見明顯的塑性變形，斷面比較平坦，可良好吻合，斷口粗糙呈顆粒狀，可見細小的放射狀條紋；放射狀條紋的收斂位置為斷裂源處，見圖1b）橢圓形區(qū)域。 

圖  1  斷口宏觀形貌

在斷口處截取試樣，將試樣至于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：斷裂源處呈沿晶斷裂特征[見圖2a）]；晶粒較粗大，晶界分離面上有細小的韌窩[見圖2b）]；放射區(qū)域呈準解理斷裂形貌[見圖2c）]，準結(jié)理為不連續(xù)的斷裂過程，各隱藏裂紋連接處時常發(fā)生較大的塑性變形，形成所謂撕裂棱，或形成微孔聚合的韌窩，有時甚至形成韌窩帶[2]。扭桿軸斷裂性質(zhì)為脆性斷裂，斷裂源位于軸的表面，缺口和缺陷常是斷裂的起源處，有明顯的放射狀條紋，說明斷裂過程是急速的。 

圖  2  斷口SEM形貌

1.2   金相檢驗

扭桿軸材料（52CrMoV4鋼）含Mn、Cr、Ni等合金元素，合金元素的主要作用是提高鋼的淬透性和綜合力學(xué)性能[3]。52CrMoV4鋼有優(yōu)良的淬透性，通過淬火加中溫回火，可以獲得均勻的回火屈氏體，以實現(xiàn)其良好的綜合性能。在斷裂扭桿軸表面和心部、斷裂源處分別截取1塊試樣進行金相檢驗，另外在正常扭桿軸相應(yīng)位置截取1塊晶粒度試樣進行對比。 

斷裂扭桿軸的微觀形貌如圖3所示。由圖3可知：斷裂扭桿軸表面試樣的顯微組織為回火屈氏體和少量碳化物[見圖3a）]，為正常的調(diào)質(zhì)組織，表面脫碳層深度為0.44 mm[見圖3b）]；斷裂源處試樣磨面上局部有晶界融化和融化孔洞[見圖3c）]，說明斷裂扭桿軸斷裂源處局部出現(xiàn)過燒；斷裂源處試樣晶粒度為5.0級[見圖3d）]，正常扭桿軸晶粒度為9.5級[見圖3e）]，一般情況下，晶粒尺寸越小，材料的強度和硬度越高，韌性越好[4-6]；心部組織為回火屈氏體和少量馬氏體[見圖3f）]，說明回火不夠充分，馬氏體未完全轉(zhuǎn)變。 

圖  3  斷裂扭桿軸的微觀形貌

1.3   力學(xué)性能測試

在斷裂扭桿軸1/2半徑處縱向截取1根拉伸試樣和3根沖擊試樣，在扭桿軸橫斷面截取洛氏硬度測試試樣，對試樣進行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂扭桿軸的抗拉強度、洛氏硬度均高于技術(shù)要求，斷裂扭桿軸的斷后伸長率、沖擊吸收能量均低于技術(shù)要求。 

1.4   原材料分析

對斷裂扭桿軸同批次材料進行化學(xué)成分、低倍組織、淬透性、非金屬夾雜物分析，結(jié)果如表2~5所示。由表2~5可知：斷裂扭桿軸同批次材料的化學(xué)成分、低倍組織、淬透性、非金屬夾雜物等均符合材料技術(shù)要求。 

2.   綜合分析

扭桿軸斷裂性質(zhì)為脆性斷裂，斷口宏觀形貌呈放射狀（或人字紋），微觀形貌呈解理（或準解理）狀的脆性斷口，其與材料本身、工藝過程引起的本質(zhì)脆性有關(guān)，或由高溫、低溫等引起，因此對該類脆性斷裂原因進行分析時，要從材料本身、工藝過程和使用條件等方面去分析診斷。 

從材料本身來看，扭桿軸原材料的化學(xué)成分、非金屬夾雜、淬透性、低倍組織均符合52CrMoV4鋼的技術(shù)要求，說明扭桿軸原材料符合要求。 

從工藝過程分析，扭桿軸斷裂源位于軸的表面，微觀形貌呈沿晶斷裂特征。沿晶斷裂的產(chǎn)生原因除環(huán)境介質(zhì)作用外，還有3種情況：① 晶界沉淀相引起的沿晶斷裂；② 雜質(zhì)元素在晶界偏聚引起的沿晶斷裂；③ 金屬過熱、過燒引起的沿晶斷裂。斷裂扭桿軸表面顯微組織為回火屈氏體和少量碳化物，是正常的調(diào)質(zhì)組織；斷裂源處存在局部過燒，因為斷裂源位于桿件未鐓粗部位，而鐓粗加熱為局部加熱，所以判定過燒是在熱處理過程中產(chǎn)生的。產(chǎn)生過熱、過燒的主要原因是淬火加熱溫度過高。在實際生產(chǎn)中，為達到節(jié)能增效的作用，采取了提高爐溫的快速加熱方式。斷裂源處局部晶界融化和融化孔洞是過燒的表現(xiàn)，扭桿軸存在過燒，從而導(dǎo)致材料脆化，增大了脆性斷裂的風(fēng)險。 

淬火時由于溫度過高，溫差增大，熱應(yīng)力相應(yīng)增大，同時還增強了材料的淬透性，使組織應(yīng)力相應(yīng)提高，增加了總變形量[7]。由于回火時間不充分，心部組織有少量馬氏體存在，硬度偏高導(dǎo)致組織存在內(nèi)應(yīng)力，故材料韌性降低。不良熱處理導(dǎo)致材料產(chǎn)生脆性組織、淬火裂紋，淬火后消除應(yīng)力不及時或不充分等都能引起脆性斷裂[8]。回火時間的基本原則是保證工件燒透和組織轉(zhuǎn)變充分，以及應(yīng)力得到消除。鋼的硬度隨著回火時間的延長而下降。扭桿軸熱處理時變形量增大導(dǎo)致矯直時所施加的力增大，同時回火不足使材料有內(nèi)應(yīng)力存在，材料韌性降低，最終導(dǎo)致矯直時扭桿軸發(fā)生脆性斷裂。 

3.   結(jié)論與建議

（1）該批次扭桿軸生產(chǎn)時的熱處理工藝不當(dāng)。淬火時加熱溫度過高導(dǎo)致材料過熱、過燒，材料脆化；回火時間不充分使組織未完全轉(zhuǎn)變、應(yīng)力未得到消除，導(dǎo)致材料的韌性降低；不規(guī)范的熱處理工藝導(dǎo)致扭桿軸變形量增大，矯直時所施加力增大，從而導(dǎo)致扭桿軸斷裂。 

（2）建議制定合理的熱處理工藝制度，并嚴格遵守，定期核查加熱爐溫度。首先，嚴格控制好淬火溫度，生產(chǎn)中如果采用提高爐溫的方法來縮短加熱時間、提高生產(chǎn)效率或節(jié)約能源，應(yīng)將溫度控制在不使材料出現(xiàn)過熱、過燒的范圍內(nèi)；其次，嚴格控制好回火時間，以保證工件燒透和組織轉(zhuǎn)變充分，同時消除內(nèi)應(yīng)力。此外，還應(yīng)提高熱處理爐內(nèi)溫度的均勻性，注意保護工件表面，防止或減少表面脫碳。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)