一起起重機械銷軸斷裂的失效分析

鄭 偉

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院徐州分院，江蘇徐州 221000）

0 引言

銷軸是一類標準化的緊固件，既可靜態固定連接，亦可與被連接件做相對運動，主要用于兩零件的鉸接處，構成鉸鏈連接。銷軸通常用開口銷鎖定，工作可靠、拆卸方便。在起重機械的銷軸較常用材料為35CrMnSiA 鋼，此類鋼材經適當的熱處理后可得到強度、硬度、韌性和疲勞強度較好的綜合力學性能，能適應生產較復雜的工況條件。

1 事故概況

2020 年11 月某公司一臺起重機械在運行過程中傳動銷軸發生斷裂，設備無法運行。查閱相關資料顯示，該銷軸材料為35CrMnSiA，熱處理方式為整體淬火加中溫回火，表面硬度要求為40～45 HRC。

2 原因分析

現場對斷裂檢查如圖1 所示。

圖1 斷口宏觀形貌

2.1 宏觀檢驗分析

銷軸斷口表面具有明顯的顏色差異，深色與淺色過度明顯，深色部分表面有油漬存在。根據斷口形貌可以初步判斷出斷裂起始位置及最后斷裂區域位置：裂紋起始位置位于錐底螺紋孔的頂角部位，是螺紋孔與錐底交界位置，屬于變截面；最后斷裂區域為淺色邊緣。

2.2 化學成份分析

對該銷軸進行光譜化學成分測試，結果見表1。

表1 化學成分 %

結果表明，該銷軸化學成分符合GB/T 3077—2015 要求。

2.3 金相組織分析過程

線切割取樣、打磨、拋光、腐蝕。對該銷軸斷口進行線切割取樣，共取3 個樣，1#試樣選取的是橫截面，2#、3#試樣選取的是縱截面，分別對1#、2#、3#試樣進行打磨、拋光、腐蝕。

采用200×、500×金相顯微鏡進行拍照和觀察，如圖2～圖4 所示。

圖2 3#試樣金相組織

圖3 2#試樣金相組織

圖4 1#試樣金相組織

從試樣腐蝕后的表面情況結合金相組織可以得出：

（1）原材料存在帶狀組織偏析，成分不均勻。

（2）3#試樣組織為回火索氏體，組織正常。

（3）2#試樣組織變化顯著，由外向內，黑色組織逐漸增多、灰色組織逐漸減少、白亮色組織也逐漸增多且趨向于網狀。在200倍及500 倍情況下可以看出，黑色組織為珠光體，灰色組織為回火索氏體，白亮色網狀組織為沿晶界析出的鐵素體。

在淬火加熱過程中，由于加熱溫度偏低，內部當珠光體轉變成奧氏體時，鐵素體尚未完全溶解，有極少量鐵素體殘留晶界處；而當淬火冷卻時，內部又因冷卻緩慢，以致沿未溶鐵素體晶界析出細片狀珠光體以及網狀鐵素體，且越往內部越多；另一部分過冷奧氏體則在淬火時形成淬火馬氏體組織，這種組織屬于不完全淬火組織。淬火溫度低、奧氏體化不完全、冷卻速度慢，是2#試樣組織變化顯著的原因，此時淬火對工件的硬化作用未充分發揮。

（4）1#試樣中存在網狀鐵素體、大量塊狀鐵素體、珠光體組織以及回火組織。白色塊狀鐵素體是由于淬火加熱時溫度偏低，未達到鐵素體向奧氏體完全溶解的溫度；網狀鐵素體、珠光體則是冷卻緩慢造成；故淬火后，組織中存在大塊未溶解鐵素體，屬于淬火欠熱組織。這種半奧氏體化的組織狀態，將明顯影響材料的硬度和強度。

2.4 硬度測試

對該銷軸沿半徑方向進行硬度測試（圖5），其硬度分布見表2。

圖5 硬度測試位置

表2 硬度測試結果

硬度測試結果表明：近表面硬度為43.6 HRC，而1/2 半徑處的硬度為28.2 HRC 近表面硬度符合要求，1/2 半徑處的硬度較低。

3 事故結論

（1）斷裂位置處在易產生應力集中的變截面。

（2）銷軸材料存在一定帶狀組織及偏析。

（3）銷軸金相組織屬于淬火缺陷組織，原因是淬火時溫度低、奧氏體化不完全、冷卻速度慢等綜合因素導致。

（4）銷軸1/2 半徑處的硬度較低。

綜合以上實驗分析該銷軸斷裂屬于淬火應力開裂。由于淬火時溫度低，造成金相組織缺陷，硬度較低，運行過程中在應力集中區域產生斷裂。

4 建議措施

（1）加強對鋼材生產工藝過程質量監控，嚴格控制生產工藝過程材料成分的均勻度。

（2）加強熱處理管理，采用等溫淬火熱處理工藝，提高該銷軸的淬火加熱溫度，使奧氏體完全穩定化。選用合適的淬火介質，適當增大淬火過程中冷卻速度，加深淬硬層深度，提高芯部硬度，從而減少淬火裂紋。

（3）改善幾何尺寸不連續過渡區的設計制造，減少應力集中。