鋼轉(zhuǎn)軸壁斷裂原因失效分析

車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向臂下端軸, 規(guī)格為φ80×154，材質(zhì)為40Cr，整體調(diào)質(zhì)加表面淬火，表面發(fā)黑處理，該軸為車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)一部分，工作時承受交變載荷，使用5731h后發(fā)生斷裂。

故障件斷口檢查，斷面經(jīng)清洗后的宏觀形貌，可見斷口位于臺階與軸過渡的圓角處，斷口無明顯塑性變形痕跡，斷面左側(cè)斷面較為平整，表面有明顯的疲勞條帶，為典型疲勞斷口形貌。故障件斷口宏觀形貌，見圖11-211。

疲勞源位于斷口邊緣，呈彎曲載荷下的疲勞源特征，將斷口面分為A、B、C、D四個區(qū)域， 從斷口宏觀形貌分析，A區(qū)應(yīng)為疲勞源區(qū)，B區(qū)為疲勞裂紋擴展區(qū)，C區(qū)為裂紋快速擴展區(qū)，D區(qū)為剪切斷面，為終斷區(qū)。

圖11-212為斷面A區(qū)微觀形貌，可見斷口表面有磨損痕跡。

圖11-213所示為斷口外側(cè)臺階與軸過渡的圓角，可見明顯的加工刀痕和孔洞缺陷。

圖11-211 軸斷口宏觀形貌

圖11-212  斷面A區(qū)微觀形貌              圖11-213  斷面A區(qū)微觀形貌

圖11-214所示為斷面B區(qū)微觀形貌，可見明顯的疲勞條帶，為疲勞裂紋擴展區(qū)。

圖11-215所示為斷面C區(qū)微觀形貌，可見明顯的準(zhǔn)解理形貌，伴隨晶間二次裂紋，為裂紋快速擴展區(qū)。

圖11-214  斷面B區(qū)疲勞條帶形貌          圖11-215   斷面C區(qū)微觀形貌

圖11-216所示為斷面D區(qū)微觀形貌，可見大量韌窩，為瞬斷區(qū)。

圖11-217所示為斷面D區(qū)微觀形貌，發(fā)現(xiàn)斷面存在較孔洞缺陷，可能是顯微疏松和夾雜。。

圖11-216斷面D區(qū)微觀形貌               圖11-217斷面孔洞形貌

在斷口附近截取金相試樣觀察：

圖11-218為試樣圓角表面組織，組織為回火索氏體+輕微魏氏組織。

圖11-219試樣心部組織；組織為回火索氏體+較嚴(yán)重魏氏組織，以及網(wǎng)狀鐵素體，金相組織表明該故障件已過熱。

圖11-218  圓角處表面金相組織           圖11-219  心部金相組織

故障件圓角外形及表面金相組織檢查，可見圓角過渡不圓滑，未達(dá)到設(shè)計要求，表面未見脫碳或滲碳跡象，圓角外形及表面金相組織，圖11-220所示。

對故障軸進行宏觀金相檢測，根據(jù)《GB/T 1979-2001 結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》規(guī)定，判定為中心疏松4級，如圖11-221所示，

故障軸硬度試驗結(jié)果，心部硬度263、253、260HV10，技術(shù)要求為274-327HV10，心部由于組織異常，硬度偏低。

采用直讀光譜法對失效樣品進行化學(xué)成分分析，結(jié)果符合《GB/T 3077-1999》標(biāo)準(zhǔn)對40Cr鋼化學(xué)成分的要求。

圖11-220  故障軸圓角處金相組織           圖11-221 故障軸低倍金相

故障軸構(gòu)件圖紙及斷裂位置、受力情況位置示意圖如圖11-222、圖11-223所示。

圖11-222失效構(gòu)件圖紙

圖11-223 故障軸斷裂位置、受力情況位置示意圖

斷裂試樣表面硬度、化學(xué)成分符合技術(shù)要求。金相組織存在異常，表明試樣熱處理過程不符合工藝要求，存在過熱情況。宏觀金相顯示試樣內(nèi)部存在疏松，但這些不是引起構(gòu)件斷裂的根本原因。

斷口形貌顯示，斷面存在明顯的疲勞條帶，呈典型疲勞斷裂特征；疲勞源位于臺階過渡的圓角處，圓角處為應(yīng)力集中處；疲勞源區(qū)位于臺階與軸過渡的圓角區(qū)域。疲勞裂紋擴展區(qū)面積約占整個斷面面積的二分之一。

根據(jù)圖紙可知，圓角半徑設(shè)計值為1mm，但是金相檢測表明圓角過渡并不圓滑、順暢，未達(dá)到設(shè)計要求，導(dǎo)致應(yīng)力集中明顯，同時圓角處的加工刀痕及鑄造缺陷加劇了應(yīng)力集中，這是引起構(gòu)件疲勞斷裂的根本原因。

疲勞裂紋源在應(yīng)力集中處產(chǎn)生，由于構(gòu)件中心疏松嚴(yán)重，金相組織異常，存在魏氏組織等缺陷，使疲勞裂紋容易擴展，轉(zhuǎn)向臂下端軸在交變載荷作用下疲勞進一步擴展，最后疲勞斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）故障件的斷裂性質(zhì)是疲勞斷裂。

（2）引起疲勞斷裂的原因是臺階過渡處圓角未達(dá)到設(shè)計要求，機加工有明顯刀痕，以及鑄造缺陷等引起斷裂件局部位置應(yīng)力集中，應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞源，由于故障件存在中心疏松和在魏氏組織，使疲勞裂紋容易擴展，在交變載荷作用下展最后疲勞斷裂。

（3）優(yōu)化軸與臺階過渡處的圓角設(shè)計，加工后進行尺寸測量，保證加工精度滿足設(shè)計要求，

（4）機加工后增加噴丸處理，增加構(gòu)件的抗疲勞能力。

（5）應(yīng)加強鑄造及熱處理環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，使鑄造質(zhì)量和熱處理質(zhì)量滿足技術(shù)要求。