Page 81 - 理化检验-物理分册2022年第九期

马 赟, 等: 20CrNiMo钢销轴断裂原因

关; 正常表面有效硬化层深度为 0.751 mm , 硬度梯 度曲线平滑降低, 其渗碳淬火处理工艺正常。销轴
度曲线自然平滑, 无异常起伏。 A 断口裂纹源所在轴身批次号码处的表层组织为浅
色二次淬火马氏体, 二次淬火马氏体组织中存在裂
2 综合分析
纹缺陷, 二次淬火马氏体组织边缘为深色二次回火
该销轴断裂于非磨削加工的轴身处, 该处轴身 马氏体, 远离裂纹源区域的组织为正常的渗碳淬火
外表面存在激光打标批次号码, 销轴 A , B 断口均与 组织, 说明激光打标批次号码处存在热损伤组织和
轴线约呈 45° , A 断口为起始于轴身外表面的疲劳 裂纹缺陷。销轴 A 断口裂纹源所在轴身批次号码
断裂, B 断口为脆性断裂, C 断口垂直于轴线。销轴 处表面的硬度梯度曲线呈“ V ” 形起伏分布, 这与激
表面经渗碳淬火处理, 表面塑性和韧性较差, 在扭转 光高温熔融打标造成的二次淬火 + 二次回火有关。
载荷作用下, 表面与轴线成 45° 方向上的拉应力最
大( 等于横截面上的最大剪应力)。随着服役载荷不 3 结论及建议
断增加, 因其表面的抗拉能力较差而发生开裂, 开裂 该销轴断裂模式为应力集中条件下的高应力疲
沿近似 45° 螺旋线扩展, 这与销轴在 A , B 断口的开 劳断裂, 其疲劳开裂起始于销轴表面激光打标批次
裂特征一致。结合 A , B , C 断口的形貌可知, A 断 号码导致的结晶裂纹。该销轴在经渗碳淬火处理
口最先发生开裂, 扩展至销轴内孔表面后, 因其有效 后, 轴身表面采用热激光打标来标识批次号码, 这极
承载面积变小, 在服役载荷作用下, 短时间内先沿 B 易在工件表面形成二次淬火 + 回火的烧伤组织, 甚
面开裂, 有效承载面积进一步减小, 而销轴心部仍保 至形成结晶裂纹, 增加了标识位置的应力集中系数,
持了较高的塑性和韧性, 抗拉能力较高, 抗剪切能力 改变了烧伤位置的应力分布状态, 增加了其开裂风
变差, 继而在扭转切应力作用下沿 C 面发生横向脆 险, 从而使工件的疲劳强度和寿命降低。
性断裂。 建议将激光打标位置移至轴端侧面的低应力载
对销轴断口进行 SEM 观察后发现, 销轴 A 断 荷作用区域, 避免增加高应力区域的应力集中系数,
口的扇形异常区域边缘的结晶断口符合激光打标高 降低销轴表面的疲劳强度。采用喷墨打标方式代替
温熔融结晶裂纹断口特征, 与结晶形貌断口相邻的 热激光打标, 减少对工件表面的热损伤。降低销轴
为沿晶形貌断口, A 断口其他区域为准解理 + 疲劳 轴身表面的粗糙度, 减少机加工刀痕深度, 降低轴身
辉纹形貌, 符合疲劳断口形貌特征。 A 断口的沿晶 表面的应力集中系数, 进一步降低其开裂风险。
形貌区域位于销轴渗碳层内, 因为渗碳层内的碳元
参考文献:
素含量高, 所以其硬度高, 并且在高温渗碳过程中晶
界往往容易受到氢损伤, 因此渗碳层的疲劳裂纹往 [ 1 ] 姜锡山, 赵晗 . 钢铁显微断口 速 查 手 册[ M ] . 北 京: 机
往呈沿晶扩展特征 [ 3 ] 。 械工业出版社, 2010.
由金相检验结果可知: 销轴正常表面的机加工 [ 2 ] 蔺海荣 . 材料力学[ M ] . 北京: 国防工业出版社, 2003.
[ 3 ] 王荣 . 失效机理分析与对策[ M ] . 北京: 机械工业出版
刀痕明显, 正常表面的非马氏体组织、 次表层组织均
为正常的渗碳淬火组织, 其由表面到心部的硬度梯 社, 2020.

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磁粉检测, 检查是否有疲劳裂纹, 同时对于磨损较为 [ 4 ] 钟群鹏, 赵子华 . 断口学[ M ] . 北京: 高等教育出版社,
严重、 尺寸已经发生较大变化的零件予以停用。 2006.
[ 5 ] 范立坤 . 有限元技 术 在 失 效 分 析 中 的 应 用 研 究 [ D ] .
参考文献: 上海: 上海交通大学, 2012.
[ 6 ] 怀玉兰, 孟宪举, 李军, 等 . 圆截面卸扣的有限 元 设 计
[ 1 ] 初铭祥 . 国外吊索具及相关零件[ J ] . 起 重 运 输 机 械,
与结构[ J ] . 河北联合大学学报( 自然科学 版), 2012 ,
1992 ( 7 ): 23-26.
[ 2 ] 钟群鹏, 田永江 . 失效分析基 础 知 识[ M ] . 北 京: 机 械 34 ( 2 ): 40-43.
[ 7 ] 滕启斯, 罗克松, 王旭虹 . 港口起重机械在役吊索具的
工业出版社, 1990.
安全评价[ J ] . 起重运输机械, 2020 ( 23 ): 90-92.
[ 3 ] 王仁智, 吴培远 . 疲劳失效分 析[ M ] . 北 京: 机 械 工 业
出版社, 1987.
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