軸銷斷裂失效分析

張田甜

（河南平芝高壓開關有限公司，河南 平頂山 467000）

軸銷斷裂失效分析

張田甜

（河南平芝高壓開關有限公司，河南 平頂山 467000）

通過化學成分分析、硬度檢驗、金相檢驗、斷口宏觀微觀分析等方法，對銷軸進行失效分析。結果表明：材料化學成分與技術要求不符導致沖擊韌性不能滿足要求，表面存在傷痕致使應力集中，從而引起脆性斷裂。

軸銷；沖擊韌度；應力集中

30CrNi3A鋼淬火低溫回火后和高溫回火后都有良好的綜合機械性能，該鋼淬透性好，切削加工性能良好，熱處理后具有較高的強度和沖擊韌性等力學性能［1-2］，是高壓開關行業連桿、軸銷的常用材料。鎳和鉻元素配合使用時，可顯著增強鋼的淬透性；同時，由于鎳對鐵素體有較好的強化作用，故能使鋼具有高的沖擊韌度。因此，以鉻鎳為主要合金元素的低合金結構鋼，主要用作大截面高負荷和受沖擊的零件，尤其是適合于低溫條件下工作的受沖擊負荷的零件。低碳鋼、合金鋼以及一般鑄鐵等都可以進行滲氮處理，根據各種鋼材合金元素的不同，滲氮后其表面硬度值也有明顯的差異，可使工件表面具有高的耐磨性，其心部保持高的強度和韌性。由于滲氮工藝溫度在500～600℃，不需要急冷處理，所以工件的尺寸變化很微小，一般滲氮處理的工件不需要加工［3］。

1 試驗結果與分析

1.1 斷口宏觀分析

河南平芝高壓開關有限公司一傳動連接用軸銷，在連續操作13次后斷裂，斷裂位置及斷口宏觀圖如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可以看出，軸銷斷裂面處在軸長的正中間，為零件最大應力截面位置，上半部斷裂面較平整，塑變跡象極小，為脆性斷裂，下半部有明顯的塑性變形痕跡，為過載斷裂。依據裂紋分布走向可以判定裂紋源為圖2頂部白色部位［4］。

圖1 斷口位置圖

圖2 斷口宏觀圖

用VHX-500基恩士數碼顯微鏡對斷裂部位附近外圓面進行放大觀察，下部放上鋼板尺，一小格是1mm。發現斷裂處兩側外圓面均有明顯刀痕，寬度在0.05mm左右，如圖3所示。

表1 斷裂軸化學成分（質量分數%）

表2 兩種材料的基體硬度及表面滲氮層硬度

圖3 裂處左半部試樣放大照片

1.2 化學成分分析

用PDA-7000島津光譜儀對斷裂軸取樣進行光譜分析，與材料技術要求檢驗斷裂軸化學成分，檢測結果見表1，結果表明其化學成分與技術要求材料30CrNi3A化學成分不符，與4Cr13的化學成分相符（參照GB/T3077和GB/T1220）。

1.3 斷口微觀分析

用JSM-6510A日本電子掃描電鏡進行斷口觀察，如圖4、圖5所示。圖5可見大量沿晶裂紋，基體上密布第二相點狀物，無韌窩、疲勞紋，屬于脆性斷裂［5］。

1.4 金相組織分析

用GX51F奧林巴斯金相顯微鏡對該4Cr13軸的基體組織及滲氮層組織進行觀察，并與30CrNi3A軸進行對比。4Cr13軸基體組織為回火索氏體，夾有大量細微粒狀珠光體，30CrNi3A軸為回火索氏體，如圖6、圖7所示。

4Cr13軸滲氮層未腐蝕時即可觀察到，腐蝕后依據金相法測量厚度僅為10μm左右，30CrNi3A軸滲氮層未腐蝕時觀察不到，腐蝕后依據金相法測量厚度約為50μm。兩種材料的基體硬度及表面滲氮層硬度見表2。

造成以上差異原因是4Cr13含碳量和合金元素含量較高，并且表面有鈍化層，從而阻礙N的滲入，使N在近表面高濃度聚集，形成較厚的ε化合物層，導致表面硬度偏高。

1.5 力學性能分析

1.5.1 硬度試驗。選取兩種材料軸各兩根切斷，從圓周表面至心部進行維氏硬度測量，數值見表3。

圖4 斷口最上面白色部位

圖5 斷口最上面白色部位之下半部放大照片

圖6 4Cr13軸基體照片（斷裂銷）

圖7 30CrNi3軸基體照片

表3 材料硬度值對比表

由表3可知，30CrNi3A材料的軸銷被完全淬透，4Cr13材料局部存在軟點。

1.5.2 彎曲試驗。選取兩種材料軸各一根，沿軸線用線切割剖開，做彎曲試驗，如圖8所示。兩支點之間間距為120mm，3個支輥直徑均為30mm，撓度為6mm時所用力見表4。

表4 材料彎曲力

圖8 彎曲試驗

1.5.3 拉伸試驗、沖擊試驗。選取兩種材料軸，解本體取樣，做拉伸、沖擊試驗。所得數值見表5。

表5 材料力學參數

1.6 熱處理工藝比較

參照有關資料，4Cr13和30CrNi3A熱處理工藝制度和處理后機械性能如表6所示［6］。

2 結論

①材料不對導致沖擊韌性不能滿足要求，表面存在傷痕致使應力集中，從而引起脆性斷裂。

②考慮滲氮工作溫度為500～600℃，并且調質時溫度必須比氮化溫度高，才能保證氮化后零件變形程度及材料心部軟化程度較小，結合圖紙硬度要求，估計回火溫度在550～600℃。30CrNi3A淬火加熱溫度為820～840℃，在這個溫度范圍內4Cr13淬火時硬度必然偏低，因而達不到表6中所規定的硬度值。

③4Cr13含碳量和合金元素含量較高，并且表面有鈍化層，從而阻礙N的滲入，導致N在近表面高濃度聚集，形成較厚的ε化合物層，導致表面硬度偏高，也是脆性斷裂產生的原因。

④企業要用規范的管理制度來管理材料倉庫，避免管理混亂，杜絕此類事件的發生。

表6 熱處理參數

［1］薛根奇，張國平，陳思遠.中碳調質鋼30CrNi3焊接工藝及生產應用［J］.電焊機，2013（7）：33-36.

［2］王俊松.熱處理對30CrNi3A力學性能的影響［J］.特鋼技術，2004（2）：27-29.

［3］李炯輝.金屬材料金相圖譜［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［4］孫智，江利，應鵬展.失效分析——基礎與應用［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［5］任頌贊，張靜江，陳質如，等.鋼鐵金相圖譜［M］.上海：科學技術文獻出版社，2005.

［6］徐躍明，黃國靖.熱處理手冊［M］.北京：機械工業出版社，2013.

Failure Analysis of Pin Fracture

Zhang Tiantian
（Henan Pingzhi High Voltage Switch Co.,Ltd.，Pingdingshan Henan 467000）

By chemical composition analysis,hardness test,metallographic examination,microscopic analysis methods,such as macro fracture pin failure analysis.Results show that the material chemical composition and technical requirements to impact toughness can’t meet the requirements of discrepancies surface scars led to stress concentration,thus cause the brittle fracture.

pin；impact toughness；stress concentration

TG157

A

1003-5168（2017）07-0063-03

2017-06-02

張田甜（1984-），女，助理工程師，研究方向：理化檢驗與失效分析。