4Cr13不銹鋼轉軸螺紋斷裂失效分析

摘要：某氣壓調節活門在使用過程中發生轉軸螺紋處斷裂，通過采用斷口宏觀微觀形貌觀察、金相檢驗、掃描電鏡、硬度等進行觀察和分析。結果表明：4Cr13不銹鋼轉軸斷裂為韌性斷裂，主要原因是產品裝配過程不當造成螺紋根部淺牙損傷形成早期裂紋，為使用過程中擴展斷裂創造條件；其次轉軸設計硬度偏高造成轉軸剛性有余而韌性不足。

關鍵詞：4Cr13鋼 失效分析 斷裂

0 引言

4Cr13是馬氏體型不銹鋼，4Cr13不銹鋼淬火回火后強度與硬度高，有嚴重的裂紋敏感性，在熱加工過程中應加以注意。4Cr13不銹鋼主要用于制造在高機械載荷和腐蝕條件下的零件。

我公司生產的氣壓調節活門產品（使用最高溫度450℃）在進行機車空中聯試試驗中，該氣壓調節活門產品部件轉軸與搖臂連接處螺紋根部斷裂。轉軸材料采用4Cr13不銹鋼，淬火硬度要求45～55HRC，回火處理要求1050℃油淬+200℃；螺紋采用磨制螺紋，其螺紋為無退刀槽的淺牙螺紋。

1 理化檢驗與結果

1.1 斷口宏觀檢查

經觀察，轉軸裝在產品內部分的中間部分為棕紅顏色，裸露在產品的外部斷裂端為光亮色。斷裂均位于第一扣螺紋淺牙根部。

轉軸斷口形貌見圖1，斷口較平整，呈灰色，有不太明顯的放射狀棱線，剪切唇約0.2mm；斷裂源在螺紋收尾處齒根位置，為線性源，長度約為1/4-1/5圓周；斷口靠近斷裂源區一側有紅銹色氧化區，紅銹色氧化區約占斷口2/5，斷口均未見材料缺陷。

1.2 金相分析

樣品切面取自轉軸斷口處，經鑲嵌拋磨后，制成標準金相試樣，根據GB/T13298-1991標準，經4%硝酸酒精侵蝕后在500倍顯微鏡下進行顯微結構觀察，發現轉軸的組織為隱針馬氏體+細小未熔球狀碳化物，未發現粗大相的存在，與4Cr13經油淬+回火的組織相符，為正常組織。

1.3 力學性能測試

按照GB/T230.1-2004對轉軸不同部位材料進行硬度測試，結果見表1，轉軸的中間部位硬度符合設計要求的下限值，斷裂端的硬度偏設計要求下限值，硬度偏低。

1.4斷口電鏡觀察

圖3為斷口源區形貌，整個斷口可分成2個區，靠近線性源的為I區，I區向內為II區，I 區和II區有明顯的界限；I區寬約40um。

I區程細小撕裂狀韌窩花樣，韌窩的方向倒向II區；圖4為斷口 I區的放大形貌，I區外側在韌窩花樣中間均有不規則的損傷痕跡。

II區為擴展區，圖5為斷口擴展區形貌：主要為等軸韌窩花樣，有的部位略有沿晶特征；在斷口剪切唇附近（見圖6）為準解理特征，圖7為紅銹色氧化區形貌，氧化區形貌和擴展區形貌無較大差別。

2 分析與討論

2.1 失效性質 根據斷口的微觀特征：I區為撕裂狀韌窩花樣，II區為等軸韌窩花樣；因此斷裂性質為韌性斷裂[1]。

根據斷口的宏觀形態看：斷口較平整，灰色，有不太明顯的放射狀棱線，剪切唇很小；又為脆性斷裂特征，這是由于軸斷裂時的硬度比較高，又受螺紋結構的影響，同時也說明在形成斷口的過程中斷裂面受到的應力水平比較低。

2.2 失效原因分析 線性源的I區為撕裂狀韌窩花樣且韌窩的方向倒向II區，II區顯微形貌主要為等軸韌窩花樣，且兩區有明顯的界限；說明，I區是在撕裂力作用下形成的，II區為拉應力作用下形成；在形成I區之后裂紋有一定時間的停頓。

2.2.1 斷裂面正常狀態下的受力 轉軸端頭螺紋與螺帽配合，對與轉軸連接的搖臂進行定位和防脫，螺帽由墊片定位。使用中連桿運動有可能會存在一定的擺動但連桿的另一端有較大的自由度，連桿擺動對斷裂處不會造成應力作用。因此，轉軸螺紋斷裂處的正常受力為螺冒的預緊力。預緊力作用在螺紋根部為剪切應力，轉軸上為拉應力；剪切應力轉換成拉應力時，在軸的邊緣存在著拉應力遞減。

2.2.2 斷裂面非正常狀態下的受力 由于螺紋的收尾為淺牙螺紋，如果由于加工誤差和定位墊片的誤差，螺帽牙尖有可能作用到淺牙螺紋的根部形成擠壓，就會在轉軸淺牙螺紋的根部形成強大的撕裂力。

2.2.3 斷裂過程分析 線性斷裂源在轉軸第一扣螺紋根部收尾處1/4和1/5圓周淺牙部分，I區的外側不規則的損傷痕跡；該損傷痕跡應為形成裂紋過程中，螺帽牙尖有壓入的痕跡。過程應為：螺冒裝配時超過了正常狀態下的裝配位置，螺冒牙尖連續擠壓轉軸螺紋根部，超過了螺紋根部的強度極限，由于淺牙連續受到螺帽牙尖的擠壓形成了1/4-1/5圓周的線性斷裂源。產品在以后的使用過程中，在螺帽預緊力和其他綜合應力作用下擴展形成開裂。

在靠近源區一側有紅銹色氧化區，紅銹色氧化區約占斷口2/5；說明先開裂的區域較晚開裂的區域在空氣中暴露有更長的時間，同時說明開裂經過了較長的過程。在II區極少部位有沿晶特征，在剪切唇附近為有準解理特征，這與軸的硬度較高和最后斷裂的應力水平有關。

2.3 硬度不均勻原因分析 產品的最高使用溫度450℃，而在熱處理時的回火溫度為200℃，產品使用溫度高于零件的最終熱處理的溫度。這樣必然造成零件在使用過程中，馬氏體將繼續分解析出，降低基體的硬度。但經淬火的Cr13型鋼，因含有大量的鉻，抗回火性較好，隨回火溫度升高，開始時硬度緩慢下降，當超過450℃后硬度反而升高，及二次硬化現象。當溫度高于550℃后，硬度顯著下降。[2]

從轉軸中間部位的棕紅顏色初步判斷，使用溫度應經過450℃之上，根據軸中間硬度高于端頭硬度看軸中間部分應為二次硬化，使用溫度應當超過450℃。另一方面當高鉻鐵素體在400℃～550℃溫度范圍內長期使用后，會使鋼在室溫下塑性及沖擊韌性值接近于零。在475℃停留時，這種脆化速度最高，稱之為475℃脆性。

電子金相研究表明：在400℃～550℃溫度范圍加熱時，從鐵素體相中沉淀出富鉻的a相（含鉻80%。鐵20%），在{100}及位錯處呈片狀析出，且與母相保持共格關系，阻礙了位錯的運動，是滑移難以進行，而使孿生易于進行，因而引起了475℃脆性。[2]

3 結論

3.1 轉軸的斷裂屬于韌性斷裂；斷裂源在轉軸第一扣螺紋根部收尾處1/4和1/5圓周淺牙部位。

3.2 造成轉軸斷裂的主要原因在于裝配不當，致使螺母牙尖損傷轉軸螺紋淺牙根部形成裂紋，導致產品在使用過程中裂紋逐漸擴展斷裂。

3.3 轉軸設計硬度偏高是造成轉軸剛性有余而韌性不足。

4 預防及建議

4.1 增加墊片的厚度以加強對螺母的限位，采用力矩扳手控制螺母的預緊力；可以有效預防螺母牙尖損傷轉軸螺紋淺牙根部。

4.2 調整回火溫度，增強轉軸在使用過程中的硬度的一致性。

4.3 產品的使用溫度達到450℃，接近Cr13型鋼的475℃脆性溫度，為此建議在滿足產品使用要求的情況下更換材料。

參考文獻：

[1]張棟，鐘培道，陶春虎，雷詛圣編著.失效分析[M].北京：國防工業出版社，2004.

[2]張德堂，鄭運榮等編.金相檢驗技術[M].北京：航空工業出版社，1991.