排風門轉(zhuǎn)軸斷裂分析

王大臣，逯連文，劉曉琴，趙愛民，姜娜

中車長春軌道客車股份有限公司 吉林長春 130062

1 序言

某火車上空調(diào)排風門氣缸和傳動軸脫落。經(jīng)檢查是排風門轉(zhuǎn)軸斷裂。該轉(zhuǎn)軸在工作過程中承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，且理論上承受應(yīng)力較小。轉(zhuǎn)軸采用材料為SUS304的不銹鋼棒。本文主要對該轉(zhuǎn)軸斷裂進行分析。

2 宏觀檢查

1）廢排風門轉(zhuǎn)軸斷裂位置位于其一側(cè)角焊縫的焊腳附近，如圖1所示。

圖1 廢排風門轉(zhuǎn)軸斷裂位置

2）轉(zhuǎn)軸的斷口存在一定的損傷，裂紋源有多處，斷口為多源疲勞斷口。從位置上區(qū)分，一部分裂紋源位于焊縫金屬上（見圖2上半部分），另一部分裂紋源位于不銹鋼棒上的焊縫熱影響區(qū)內(nèi)（見圖2下半部分）。

圖2 轉(zhuǎn)軸焊縫一側(cè)的斷口

3）焊縫在轉(zhuǎn)軸一側(cè)的焊腳處存在焊接咬邊缺陷，咬邊缺陷內(nèi)存在宏觀裂紋，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)軸側(cè)焊腳處的咬邊及宏觀裂紋

3 掃描電鏡斷口觀察

1）在掃描電鏡下觀察斷口，先開裂區(qū)域可見疲勞輝紋，如圖4a所示；最后斷裂區(qū)為韌窩，如圖4b所示。

圖4 掃描電鏡下斷口形貌

2）在掃面電鏡下觀察焊縫一側(cè)的斷口邊緣，可見焊縫蓋面上存在網(wǎng)狀的顯微裂紋，如圖5所示。

圖5 焊縫蓋面上存在網(wǎng)狀的顯微裂紋

3）在焊縫金屬的蓋面上觀察到已經(jīng)開裂的宏觀裂紋，裂紋與上述顯微裂紋相連，并且形態(tài)和分布與上述顯微裂紋一致，如圖6所示。

圖6 焊縫金屬的蓋面上的宏觀裂紋

4）在另一側(cè)焊縫的焊腳處可見腐蝕產(chǎn)生細長彎曲的裂口，如圖7a所示。將圖7a局部放大可見腐蝕產(chǎn)生的凹坑及奧氏體晶粒，如圖7b所示。

圖7 裂口宏觀形貌

5）將有腐蝕凹坑的部位進一步放大，可見晶粒表面和晶界都已經(jīng)被腐蝕，晶粒間存在腐蝕產(chǎn)物，如圖8所示。對腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物中含有氮元素。

圖8 腐蝕區(qū)域的放大高倍的形貌

6）在掃描電鏡下觀察焊縫熱影響區(qū)一側(cè)斷口邊緣，可見不銹鋼棒上存在沿棒材縱向分布的多條原始缺陷，裂紋源位于該原始缺陷處，如圖9所示。

圖9 焊縫熱影響區(qū)一側(cè)斷口邊緣

4 金相檢驗

在排風門轉(zhuǎn)軸橫斷面上截取金相試樣，沿棒材縱向分布的原始缺陷如圖10所示，其深度為0.14mm，金相檢驗表明該表面缺陷具有軋制折疊缺陷特征。轉(zhuǎn)軸材料的金相組織如圖11所示，金相組織為含有孿晶的奧氏體組織，晶粒細小[1]。

圖10 棒材表面缺陷（500×）

圖11 棒材橫截面金相組織（500×）

5 材質(zhì)分析

排風門轉(zhuǎn)軸取樣的材質(zhì)化學成分分析結(jié)果見表1，可見其化學成分不符合SUS304不銹鋼的材質(zhì)要求，碳含量超上限，鉻含量低于下限值。

6 拉伸試驗

在排風門轉(zhuǎn)軸上取力學性能拉伸試樣，結(jié)果表明：轉(zhuǎn)軸材料的斷后伸長率檢測值顯著低于其標準要求的下限值，斷面收縮率略低于其下限值，見表2。

7 結(jié)果分析與討論

從斷口上看，斷口上有多條疲勞棱線，在掃描電鏡下觀察到疲勞輝紋，因此該斷口為多源疲勞斷口。按照裂紋源位置不同可以分為兩部分，一部分位于焊縫熱影響區(qū)附近，另一部分位于焊縫金屬上。下面對兩個位置的裂紋源分別進行分析：

（1）分析位于熱影響區(qū)附近的裂紋源 不銹鋼棒金相檢測結(jié)果為含有孿晶的奧氏體組織，晶粒細小。

排風門轉(zhuǎn)軸的化學成分不合格，碳含量高于標準值，鉻含量低于標準值。這會影響到材料的力學性能。從轉(zhuǎn)軸的力學性能檢測結(jié)果也可以看出，屈服強度和抗拉強度都很高，而斷后伸長率和斷后收縮率卻不符合要求。

觀察位于熱影響區(qū)附近的裂紋源，在掃描電鏡下可見裂紋源自沿棒材縱向分布的長條形原始缺陷處。通過金相檢測可知，該長條形缺陷與表面存在一定夾角，深度為0.14mm，為軋制折疊缺陷。因此，熱影響區(qū)附近的裂紋是不銹鋼棒表面存在軋制折疊缺陷及化學成分不合格引起的。

（2）分析焊縫金屬處的裂紋源 焊縫在轉(zhuǎn)軸一側(cè)的焊腳處存在焊接咬邊缺陷，咬邊缺陷內(nèi)存在宏觀裂紋，但從整個斷口及裂紋的形貌看，咬邊不是引起轉(zhuǎn)軸斷裂的主要原因[2]。

表1 排風門轉(zhuǎn)軸化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 排風門轉(zhuǎn)軸拉伸試驗結(jié)果

掃描電鏡觀察顯示，焊縫蓋面上存在網(wǎng)狀顯微裂紋。而焊縫金屬的蓋面上觀察到已經(jīng)開裂宏觀裂紋與上述顯微裂紋相連，并且形態(tài)和分布與上述顯微裂紋一致，說明裂紋的形成與顯微裂紋有關(guān)；另一側(cè)焊縫的焊腳處可見腐蝕產(chǎn)生細長彎曲的裂口、凹坑及奧氏體晶粒，說明焊縫曾經(jīng)在酸性環(huán)境下受到較嚴重的腐蝕；能譜分析顯示腐蝕產(chǎn)物中含有氮元素。通常情況下，硝酸是不銹鋼鈍化膏的主要成分。由此可以推斷出，不銹鋼焊后鈍化工序操作不當，導(dǎo)致焊縫金屬表面過度腐蝕而產(chǎn)生顯微裂紋，并在循環(huán)應(yīng)力的作用下進一步發(fā)展成為宏觀裂紋，直至轉(zhuǎn)軸斷裂。

8 結(jié)束語

不銹鋼棒表面存在軋制折疊缺陷及化學成分不合格是不銹鋼棒在焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋的主要原因。

焊后鈍化工序操作不當，導(dǎo)致焊縫金屬表面由于過度腐蝕而產(chǎn)生顯微裂紋，在循環(huán)應(yīng)力的作用下發(fā)展成為宏觀裂紋，是導(dǎo)致排風門轉(zhuǎn)軸在焊縫金屬處開裂的主要原因。