工程機械銷軸斷裂原因

范全保,李金波,李仕超,李 昂

(河鋼集團邯鋼公司 技術中心,邯鄲 056015)

焊接工藝是熱加工工藝中最容易產生缺陷的工藝之一，由于鋼的淬硬性，材料中的氣體氫、雜質以及焊接應力等因素的影響，焊接過程中容易產生熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋等缺陷，使焊接結構件存在失效的隱患[1-2]。

工程機械銷軸是機械零部件間的連接元件，承受較大單向彎曲載荷、剪切應力或擠壓應力等[3]。某工程機械銷軸由40Cr鋼軸與Q235B鋼套管焊接而成，服役條件較差，長期暴露于潮濕和水泥粉塵的環境中，3個月后發生斷裂。為找到銷軸斷裂的原因，筆者對其進行了理化檢驗和分析，以期為焊接工藝的改進和預防銷軸斷裂提供幫助。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該工程機械銷軸于40Cr鋼軸與Q235B鋼套管焊接處斷裂，將40Cr鋼軸沿斷裂面分為兩部分，兩側斷面分別稱為斷面A和斷面B。由圖1所示的斷口宏觀形貌可見，裂紋源位于焊接焊縫處，沿40Cr鋼軸的橫截面擴展，斷口宏觀平直呈放射狀花樣，具有明顯脆性斷裂特征。

圖1 斷裂銷軸的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured pin shaft

1.2 化學成分分析

對斷裂銷軸取樣進行化學成分分析，結果如表1所示，可見其化學成分符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》對40Cr鋼成分的要求，但磷、硫等雜質元素含量相對偏高，雖未超出標準要求但高于正常生產時內部控制要求(磷的質量分數≤0.020%,硫的質量分數≤0.015%)。

表1 斷裂銷軸的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the cracked pin shaft (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

從斷面B沿裂紋源縱向切開，制作矩形塊狀試樣，試樣經拋光、浸蝕后觀察其顯微組織。在其右上角的裂紋源附近發現有與母材浸蝕著色程度不同的異常組織，如圖2所示。

圖2 取樣位置及異常組織Fig.2 Sampling position and abnormal microstructure

進一步放大觀察，可見裂紋源附近異常組織為以馬氏體為主的焊接熱影響區組織，母材區顯微組織為鐵素體+珠光體，如圖3所示。

圖3 裂紋源附近的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology around the crack source

圖4 焊點附近的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology around the solder joint

圖5 熱影響區的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of heat affected zone

切取斷面上帶有焊縫的試樣并觀察其顯微組織形貌，如圖4所示，可見試樣存在界面清晰的典型焊接形貌分區，包括焊縫區、熱影響區和母材區。

進一步觀察熱影響區的顯微組織形貌，如圖5所示，可見熱影響區中接近焊縫區的組織為粗大的馬氏體，是焊接過程高溫導致奧氏體晶粒粗化而形成的過熱區，這一區域晶界脆性較大；向內組織逐漸轉變為由細小馬氏體組成的細晶區；靠近母材區組織是由細小馬氏體和顆粒狀鐵素體組成的混合組織，為不完全淬火區，具有一定的強度和韌性。

對圖5所示熱影響區中的過熱區放大觀察，如圖6所示，在粗大馬氏體組織內發現了沿晶分布的裂紋缺陷，可判斷為應力斷裂。

圖6 熱影響區的過熱區顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of overheatedzone in heat affected zone

進一步放大觀察圖4所示帶有焊縫的試樣，如圖7所示，可見在熱影響區和焊縫區的界面處有一條寬度約30 μm的深色焊接熔合帶，帶內存在雜質富集的現象，可進一步判斷銷軸斷裂起始于熱影響區的過熱區與焊縫區的界面處。

圖7 焊縫區和熱影響區界面處的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of the interface between weld line zone and heat affected zone

2 分析與討論

2.1 斷裂銷軸裂紋源分析

通過化學成分分析可知該銷軸的化學成分符合GB/T 3077—2015標準對40Cr鋼成分的要求，但母材中磷、硫等雜質元素含量相對偏高，對于焊接質量存在隱患。因為磷和硫元素會使母材結晶溫度區間增大，并極易引起偏析而形成各種低熔點共晶體，增大斷裂傾向。

由斷裂銷軸斷口宏觀形貌可見明顯的放射狀花樣，為脆性斷裂特征，判斷起裂源于銷軸表面的焊接焊點附近。另外，銷軸發生斷裂時所受載荷低于設備額定載荷，所受應力低于材料設計強度，為低應力脆斷。

根據對斷裂銷軸的顯微組織觀察，結合40Cr鋼屬于中碳調質鋼，淬硬傾向大的特點[4],分析是由于銷軸在焊接后冷卻速度過快，形成了以馬氏體為主的焊接熱影響區組織[5-7]。馬氏體組織硬度高、脆性大，它的存在使得焊縫塑性降低、應力增大，在焊接快冷條件的收縮應力作用下，容易產生應力裂紋缺陷[8-10]。同時，在熱影響區過熱區的粗大馬氏體組織內發現了沿晶裂紋缺陷，以及在熱影響區和焊縫區的界面處有一條寬度約30 μm的深色焊接熔合帶，帶內存在雜質富集的現象，可進一步判斷銷軸斷裂起始于熱影響區的過熱區與焊縫區的界面處。

2.2 焊縫熔合帶分析

裂紋源顯微組織分析顯示在熱影響區和焊縫區界面處存在一條熔合帶，帶內由于雜質富集在銷軸服役受力過程中易形成微裂紋源。熔合帶是焊接接頭的薄弱區域，是易于造成局部脆性破壞的發源地[11]，加上熱影響區內存在粗大馬氏體組織和應力，在該區域兩種因素疊加作用使得微裂紋形成和擴展。

3 結論及建議

(1) 該工程機械銷軸由于焊接過程中在熱影響區內形成了淬硬的馬氏體組織，產生了較大內應力，加上焊縫和熱影響區界面熔合帶內雜質富集，形成微裂紋源，在外力作用下微裂紋擴展，最終導致銷軸發生了脆性斷裂。

(2) 40Cr鋼屬于中碳調質鋼，淬硬傾向大，容易在焊縫和熱影響區中產生裂紋，需通過控制焊接后焊縫區冷卻速度，或采用在焊接前對焊接金屬進行預熱的方式，防止焊接后因冷卻速度過快導致淬火時形成馬氏體組織。

(3) 在選材和焊接前要保證焊接母材和焊接金屬面的潔凈。一方面需提高母材潔凈度，嚴格控制母材中磷、硫等雜質元素的含量；另一方面需保證焊接前焊接金屬面的潔凈，避免焊接過程中油污、銹跡等雜質在熔合帶內富集，形成潛在裂紋隱患。