20CrNiMo鋼銷軸斷裂原因

馬 赟, 唐 倩

(1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司, 常州 213011；2.中車戚墅堰機車有限公司, 常州 213011)

在服役過程中,某公司生產的銷軸軸身部位發生斷裂。該銷軸材料為20CrNiMo鋼，生產工藝為：精車→滲碳淬火→磨削軸徑表面(軸身不再機加工)→軸身激光打標批次號，該銷軸服役約2個月后發生斷裂。熱激光打標標識批次號碼的原理是：將具有較高能量密度的激光束照射在被加工材料的表面上，材料表面因吸收激光能量而溫度上升，并產生變態、熔融、燒蝕、蒸發等現象，從而使表面顯示出所需刻蝕的圖案、文字。熱激光打標標識批次號碼的優點是可在多種材料表面打上永久、高質量的標記，但這種高溫熔融、燒蝕的打標方式并不適用于高碳、高硬度的工件表面。

為查明該銷軸斷裂的原因，筆者對該斷裂銷軸進行取樣分析，并提出了相應的改善措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖1為斷裂銷軸試樣宏觀形貌，斷裂位置為銷軸非磨削加工軸身處，該處軸身外表面存在激光打標批次號，服役過程中無與之接觸的配合件，銷軸斷裂位置附近表面未見異常沖擊與磨損痕跡，未見明顯塑性變形。圖2為斷裂銷軸斷口宏觀形貌，其A，B斷口均呈銀灰色金屬光澤，與軸線約呈45°，整個A斷口均可觀察到明顯的貝紋線特征，貝紋線分布方向基本平行于軸身表面，A斷口斷裂起始于該處軸身外表面；B斷口呈結晶狀，具有脆性斷裂特征；C斷口垂直于軸線，受擠壓磨損而破壞，斷口有效信息缺失。因為銷軸在服役過程中主要承受扭轉載荷，并基于斷口的宏觀形貌特征，推測A斷口最先發生開裂。

圖1 斷裂銷軸宏觀形貌

圖2 斷裂銷軸斷口宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在斷裂銷軸基體取樣進行化學成分分析，結果如表1所示，可見斷裂銷軸各元素含量均符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》對20CrNiMo鋼化學成分的要求。

表1 斷裂銷軸化學成分 %

1.3 斷口分析

將斷裂銷軸的斷口經乙醇超聲清洗后，用掃描電鏡(SEM)進行觀察，A斷口裂紋源的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知：A斷口的裂紋源位于軸身外表面處，裂紋源區存在多處呈扇形的異常區域，扇形異常區域邊緣最深約為0.17 mm，呈樹枝狀圓滑結晶形貌，與樹枝狀圓滑結晶形貌相鄰斷口為較窄的沿晶形貌，斷口其他區域為準解理+疲勞輝紋形貌。圖4為A斷口軸身批次號碼區域的SEM形貌，由圖4可知：A斷口裂紋源區域軸身表面的機加工刀痕較明顯，激光打標批次號碼的SEM形貌呈圓滑結晶狀，符合金屬高溫熔融后的自由結晶形貌特征[1]，局部區域可觀察到裂紋缺陷，批次號碼打標位置與A斷口裂紋源的扇形異常區域在同一位置。表2為銷軸A斷口扇形異常區域的能譜分析結果，該區域組成的元素及含量與基體基本一致，未見夾雜類的特征元素。圖5銷軸B斷口的SEM形貌，該區域的微觀形貌以韌窩為主。

表1 銷軸A斷口扇形異常區域的能譜分析結果 %

圖3 銷軸A斷口裂紋源SEM形貌

圖4 銷軸A斷口軸身批次號碼區域SEM形貌

圖5 銷軸B斷口SEM形貌

1.4 金相檢驗

根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》，對銷軸試樣基體非金屬夾雜物進行分析，可知其非金屬夾雜物級別為：A類1.0級，D類0.5級，材料的純凈度較好[2]。

平行于銷軸A斷口取樣，將試樣磨拋、侵蝕后觀察其裂紋源所在軸身表面及正常表面的顯微組織，結果如圖6所示。由圖6可知：軸身批次號碼處的顯微組織表面起伏不平，最表層組織為淺色二次淬火馬氏體，二次淬火馬氏體組織中存在裂紋缺陷，二次淬火馬氏體組織邊緣為深色二次回火馬氏體，其他區域組織為細針狀馬氏體+殘余奧氏體；正常表面顯微組織的表面起伏不平，機加工刀痕明顯，該處表層存在深度約為10 μm的非馬氏體組織，次表層組織為細針狀馬氏體+約10%殘余奧氏體，馬氏體針長約為12 μm，為正常的滲碳淬火組織；心部顯微組織為低碳馬氏體+少量貝氏體+少量鐵素體。

圖6 銷軸A斷口裂紋源所在軸身表面及正常表面的顯微組織形貌

圖7為銷軸A斷口裂紋源所在軸身表面及正常表面的硬度梯度曲線，軸身表面的有效硬化層深度為0.885 mm，但其表面硬度曲線呈“V”形起伏分布，這與批次號碼處經二次淬火+二次回火處理有關；正常表面有效硬化層深度為0.751 mm，硬度梯度曲線自然平滑，無異常起伏。

圖7 銷軸A斷口裂紋源所在軸身表面及正常表面的硬度梯度曲線

2 綜合分析

該銷軸斷裂于非磨削加工的軸身處，該處軸身外表面存在激光打標批次號碼，銷軸A，B斷口均與軸線約呈45°，A斷口為起始于軸身外表面的疲勞斷裂，B斷口為脆性斷裂，C斷口垂直于軸線。銷軸表面經滲碳淬火處理，表面塑性和韌性較差，在扭轉載荷作用下，表面與軸線成45°方向上的拉應力最大(等于橫截面上的最大剪應力)。隨著服役載荷不斷增加，因其表面的抗拉能力較差而發生開裂，開裂沿近似45°螺旋線擴展，這與銷軸在A，B斷口的開裂特征一致。結合A，B，C斷口的形貌可知，A斷口最先發生開裂，擴展至銷軸內孔表面后，因其有效承載面積變小，在服役載荷作用下，短時間內先沿B面開裂，有效承載面積進一步減小，而銷軸心部仍保持了較高的塑性和韌性，抗拉能力較高，抗剪切能力變差，繼而在扭轉切應力作用下沿C面發生橫向脆性斷裂。

對銷軸斷口進行SEM觀察后發現，銷軸A斷口的扇形異常區域邊緣的結晶斷口符合激光打標高溫熔融結晶裂紋斷口特征，與結晶形貌斷口相鄰的為沿晶形貌斷口，A斷口其他區域為準解理+疲勞輝紋形貌，符合疲勞斷口形貌特征。A斷口的沿晶形貌區域位于銷軸滲碳層內，因為滲碳層內的碳元素含量高，所以其硬度高，并且在高溫滲碳過程中晶界往往容易受到氫損傷，因此滲碳層的疲勞裂紋往往呈沿晶擴展特征[3]。

由金相檢驗結果可知：銷軸正常表面的機加工刀痕明顯，正常表面的非馬氏體組織、次表層組織均為正常的滲碳淬火組織，其由表面到心部的硬度梯度曲線平滑降低，其滲碳淬火處理工藝正常。銷軸A斷口裂紋源所在軸身批次號碼處的表層組織為淺色二次淬火馬氏體，二次淬火馬氏體組織中存在裂紋缺陷，二次淬火馬氏體組織邊緣為深色二次回火馬氏體，遠離裂紋源區域的組織為正常的滲碳淬火組織，說明激光打標批次號碼處存在熱損傷組織和裂紋缺陷。銷軸A斷口裂紋源所在軸身批次號碼處表面的硬度梯度曲線呈“V”形起伏分布，這與激光高溫熔融打標造成的二次淬火+二次回火有關。

3 結論及建議

該銷軸斷裂模式為應力集中條件下的高應力疲勞斷裂，其疲勞開裂起始于銷軸表面激光打標批次號碼導致的結晶裂紋。該銷軸在經滲碳淬火處理后，軸身表面采用熱激光打標來標識批次號碼，這極易在工件表面形成二次淬火+回火的燒傷組織，甚至形成結晶裂紋，增加了標識位置的應力集中系數，改變了燒傷位置的應力分布狀態，增加了其開裂風險，從而使工件的疲勞強度和壽命降低。

建議將激光打標位置移至軸端側面的低應力載荷作用區域，避免增加高應力區域的應力集中系數，降低銷軸表面的疲勞強度。采用噴墨打標方式代替熱激光打標，減少對工件表面的熱損傷。降低銷軸軸身表面的粗糙度，減少機加工刀痕深度，降低軸身表面的應力集中系數，進一步降低其開裂風險。