掛車車軸疲勞失效問題及應對措施

鄭東偉，李松濤，王 鑫，趙晨光

（林州鳳寶管業有限公司檢測中心，河南 林州 456592）

20Mn2 鋼屬于低碳合金鋼，冷變形時塑性高，焊接可加工性良好，淬透性較高，耐磨耐蝕性較好，用其制作的整體車軸符合掛車輕量設計，廣泛應用于重載貨車行業；而車軸類零件是掛車系統中關鍵零件之一，其質量的好壞直接影響到掛車使用的安全性和可靠性。而在生產檢驗及使用過程中，車軸未達到標準要求的服役壽命，時常出現早期開裂情況，給企業造成了一定的經濟損失，因此分析車軸早期失效原因顯得十分必要。這里對導致兩個車軸早期開裂的因素及應對措施進行探討。兩個失效車軸均為20Mn2 鋼Φ178 mm×11 mm 規格的熱軋無縫鋼管生產車軸，生產工藝有所不同。

1 號失效車軸加工工藝為：鋸切下料（約2.3 m）→兩端軸頭熱縮頸增厚→管體冷推方→整體調質（井氏爐）→軸頭機加工→摩擦焊等。在摩擦焊后進行電液伺服疲勞試驗，電疲伺服疲勞試驗為垂直彎曲疲勞壽命試驗，試驗負荷為脈動循環負荷，多通道電液伺服疲勞試驗機的工作頻率不高于500次/min，示波器監測直至車軸斷裂。疲勞壽命約59萬次后出現開裂（JT/T 475—2020《掛車車軸》要求平均疲勞壽命≥80 萬次），開裂部位位于推方過渡區附近軸頭部位。

2 號失效車軸的加工工藝及失效情況為：鋸切下料（約2.2 m）→兩端軸頭熱縮頸增厚→管體冷推方→整體調質（井式爐）→拋丸后校直→軸頭機加工→焊接輔件→裝配，掛車車軸在投入使用后很快出現斷裂事故。

1 試驗過程及結果

1.1 化學成分分析

從1～2 號失效車軸上分別取樣做化學成分分析，兩種失效車軸化學成分分析結果見表1，兩種車軸的化學分析結果均符合客戶對20Mn2 鋼的要求。

表1 兩種失效車軸化學成分（質量分數）分析結果 %

1.2 斷口宏觀分析

1 號車軸開裂部位位于推方過渡區附近，距離摩擦焊卷邊處約20 mm，圓周約3/4 開裂。斷口形貌分為兩部分，紅色標志區光滑平坦，呈瓷狀特征，該區顏色發灰，為疲勞開裂區，且為多源開裂，裂紋源位于外壁部位（最薄區域）；黃色標志區斷口纖維放射紋路明顯，為后續擴展區，宏觀觀察，軸頭外圓經過機加工，局部存在原始黑皮，壁厚均勻性較差，橫向斷裂部位和加工部位平齊，外圓加工處和未加工處顏色深淺不一。測量推方樣管部位4 個側面壁厚，A 端端面分別測量4 個平面及4 個圓弧角的壁厚，端面壁厚測量結果見表2，壁厚極差分別為0.5 mm 和0.3 mm。測量軸頭斷裂部位壁厚（外圓經過加工），測量點到焊縫距離相同，1 號車軸開裂樣管測量結果見表3，測量點1樣管壁厚最薄，壁厚均勻性較差，在測量點3 附近存在明顯黑皮。1 號軸頭壁厚測量位置如圖1 所示。

表3 1 號車軸開裂部位壁厚測量結果 mm

圖1 1 號軸頭壁厚開裂樣管測量位置示意

表2 1 號車軸推方部位兩端面壁厚測量結果 mm

2 號車軸開裂位置位于車軸油封位和軸承位過渡圓弧根部部位，為橫向斷裂。斷裂部位是變徑角處，一側張開較大，雙側張開較小。宏觀觀察：斷口特征為明顯的雙向彎曲疲勞斷裂，裂紋源分別位于外壁變徑弧型根部兩側邊緣，有多個疲勞臺階，為線性多源開裂，裂紋源區磨損氧化嚴重。疲勞裂紋擴展區較平坦，有明顯的疲勞紋；斷口中間兩側為最后斷裂區，斷口粗糙。2 號車軸開裂樣管疲勞斷口宏觀形貌如圖2 所示。

圖2 2 號車軸開裂樣管疲勞斷口宏觀形貌

1.3 斷口微觀分析

通過觀察1 號車軸裂紋源區域外表面，發現切削加工刀紋明顯，開裂位于刀紋根部應力集中部位，1 號車軸裂紋源部位如圖3 所示。用便攜式粗糙度儀測量車軸開裂外表面處的粗糙度，顯示為3.2 μm，加工成符合圖紙設計要求的1.6 μm 粗糙度。將裂紋源區樣品放入電鏡中觀察，近源區斷口上有高周脆性疲勞條紋，并呈放射性擴展，1 號車軸掃描電鏡下疲勞斷口形貌如圖4 所示。2 號車軸斷口可見外壁有多處疲勞源臺階，開裂源部位氧化較重，疲勞裂紋擴展區有明顯的脆性疲勞特征，終斷區為韌窩形貌。

圖3 1 號車軸裂紋源部位形貌

圖4 1 號車軸掃描電鏡下疲勞斷口形貌

1.4 機械性能試驗

在1 號車軸樣品上推方部位切取試樣加工后做機械性能試驗，并在軸頭開裂部位取樣做沖擊試驗和硬度試驗（因樣品條件限制，無法做拉伸試驗），可見軸體調質后的強度指標較高，硬度超出工藝上限要求，且軸頭開裂部位的沖擊值遠低于推方部位，1 號車軸推方部位機械性能試驗結果見表4，1號軸頭開裂部位沖擊試驗和硬度試驗結果見表5。

表4 1 號車軸推方部位機械性能試驗結果

從2 號開裂車軸軸體部位取試樣，經加工后做室溫拉伸試驗，結果見表6，試樣抗拉強度和規定塑性延伸強度均低于標準要求。該車軸要求調質后硬度為240～280 HBW，而靠近斷軸開裂部位橫截面硬度為210～225 HBW，表明該車軸硬度不符合標準要求。

表6 2 號車軸拉伸試驗結果

1.5 金相分析

1 號車軸外壁存在明顯加工刀紋，裂紋源位于刀紋根部，裂紋源周圍無夾雜物偏聚等冶金缺陷，周圍組織為回火索氏體和少量網狀鐵素體，未見異常組織，1 號車軸裂紋源部位拋光態及金相組織形貌如圖5 所示。2 號車軸裂紋源周圍無夾雜物偏聚等冶金缺陷，組織均為鐵素體、回火索氏體、貝氏體組織，2 號車軸裂紋源和軸頭基體組織形貌如圖6 所示。1～2 號車軸裂紋源部位夾雜物評級結果正常，1～2 號車軸縱截面夾雜物分析結果見表7。

表7 1～2 號車軸縱截面夾雜物分析結果 級

圖5 1 號車軸裂紋源部位拋光態及金相組織形貌

圖6 2 號車軸裂紋源和軸頭基體組織形貌

2 分析與討論

2.1 1 號失效車軸

1 號車軸推方部位和軸頭部位試樣的力學性能結果表明：試樣的強度、硬度較高，軸頭部位的沖擊值較低，側面反映出材料的脆性傾向也相對變大。據了解該客戶的調質工藝為880 ℃淬火，540℃回火，保溫時間90 min。硬度超出工藝要求范圍，說明淬火后回火溫度較低。工件的表面質量對疲勞斷裂影響重大，疲勞源是疲勞裂紋萌生地，工件表面不恰當的結構形狀（如拐角、缺口或直徑的劇烈變化），工藝加工缺陷（如切削刀痕）等會引起局部的應力集中而誘發疲勞裂紋的萌生。現有的理論研究表明，切削加工表面粗糙度指標差形成的應力集中大大增加了疲勞裂紋的形成概率和擴展速率，從而降低了工件的疲勞強度。

據伍穎等研究的表面粗糙度對疲勞強度的影響研究表明：在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中，產生疲勞裂紋。表面粗糙度值愈大，表面的紋痕愈深，紋底半徑愈小，抗疲勞破壞能力就愈差。疲勞裂紋萌生后，裂紋逐步擴展，在經受多次的應力循環后，失穩斷裂。車軸試樣化學成分、基體夾雜物符合要求，且裂紋源部位無大型夾雜物等冶金缺陷，周圍組織正常，但在該車軸的裂紋源部位發現切削加工時的粗刀紋是形成應力集中疲勞開裂的主要原因[1]。

2.2 2 號失效車軸

分析結果表明：該車橋軸發生了雙向彎曲疲勞開裂，屬于多源疲勞開裂，起裂源位于過渡圓角曲率半徑最小的位置，該位置存在應力集中，是車橋軸上應力水平較高的區域。源區附近表面加工狀態無異常，無外部損傷和異常冶金缺陷。屬于工作應力超過零件本身的疲勞強度引起的脆性疲勞開裂。材料的強度低于設計要求是其開裂的主要原因。

調質處理（淬火+高溫回火）正常組織是回火索氏體，這種組織不僅具有一定的強度，而且具有良好的韌性，從而使車軸具有良好的強韌性，較高的抗彎強度、斷裂強度和疲勞強度。該車軸廠家熱處理的調質工藝為：淬火保溫860 ℃，保溫時間35 min，浸入式水冷，后560 ℃回火，保溫時間90 min。在車軸加工現場了解到，該車軸淬火后的冷卻水池較小，沒有安裝攪拌循環泵，水污染程度較高。這些因素造成工件淬火時冷卻能力不足，勢必影響馬氏體組織轉變不充分，后續出現先共析鐵素體及上貝氏體組織，造成材料的強度偏低。

2.2.1 調質組織中鐵素體

亞共析鋼在亞溫區加熱保溫時，組織為奧氏體和鐵素體，冷卻時，奧氏體轉變成其他組織，而鐵素體則被保留下來形成未溶鐵素體。未溶鐵素體的形成與亞溫區加熱、保溫有關，通常是正火、淬火加熱時欠溫所致；亞共析鋼在加熱到完全奧氏體狀態，冷卻時在亞溫區停留時間稍長而緩冷，則鐵素體會沿奧氏體晶界析出，形成網狀鐵素體。而網狀鐵素體則與冷卻能力不足有關。調質組織中鐵素體的存在，極大降低了材料的疲勞強度[2-14]。

2.2.2 上貝氏體組織

上貝氏體中滲碳體分布在鐵素體條之間，碳含量低時，碳化物沿條間呈不連續的粒狀或鏈珠狀分布，碳含量高時，碳化物呈桿狀甚至連續狀分布。調質生產中淬火時冷卻能力不足是組織中產生上貝氏體組織的主要原因，回火溫度不足以使其產生相變故保留下來。上貝氏體因碳化物顆粒粗大，強化作用較小，特別因有片狀鐵素體存在，可能成為裂紋發展的通道，所以不僅抗拉強度低、脆性大，而且疲勞性能也較差。

3 改進措施

3.1 1 號失效車軸

通過以上分析可以確定該車軸電液伺服疲勞試驗早期開裂是由于軸頭車削加工質量不佳，在車軸變徑部位產生了局部應力集中，另外在車軸調質后存在硬度超標（軸頭部位韌性較差）等不利因素的影響下，產生了早期疲勞開裂。為了改善這種情況，提出以下建議供參考：

（1） 車軸調質后硬度超出工藝要求的范圍，應適當調整回火溫度，使產品調質后機械性能在合理區間，提高產品的綜合性能。

（2） 建議更改軸頭外圓部位的加工工藝，由車削加工改為磨削加工，改善表面粗糙度，避免車削加工時的粗刀痕。

（3） 加強對管材的入廠檢驗和車軸機加工前的工藝控制，盡量避免加工時的壁厚不均及缺陷情況。

3.2 2 號失效車軸

由于該車軸淬火后冷卻能力不足使基體中產生了大量鐵素體和貝氏體組織，造成強度較低、疲勞性能較差，使用過程中交變荷載作用在變徑根部，發生早期疲勞斷裂情況?，F場可以從兩點改進：

（1） 加強熱處理過程監督，嚴格按照工藝制度加熱、保溫及冷卻是獲得優良組織和性能的關鍵。

（2） 冷卻水池配備循環泵，必要時改造冷卻循環水池，提高淬火冷卻速度，使組織充分轉變為馬氏體。避免出現不良的鐵素體、貝氏體組織，從而使材料性能滿足技術要求。

4 結 語

在車軸加工工藝上采取一定技術措施，嚴格執行熱處理工藝，滿足機械性能要求，改善產品表面粗糙度，做好原材料及工序間檢驗控制工作是提高車軸的疲勞壽命的重要措施。