摘 要:采用宏觀分析、化學成分分析、力學性能檢測、金相檢驗、掃描電鏡斷口分析等方法,對 42CrMo鋼軸箱端蓋的斷裂原因進行了分析。結果表明:該軸箱端蓋的斷裂為多源性振動疲勞斷 裂,造成疲勞斷裂的主要原因是在交變拉壓振動的應力作用下,螺栓沉頭孔內角圓周處發(fā)生應力集 中,導致了多源性振動疲勞裂紋。 

關鍵詞:42CrMo鋼;軸箱端蓋;多源疲勞斷裂;應力集中 

中圖分類號:TG115.5                                                文獻標志碼:B                                      文章編號:1001-4012(2022)08-0043-03

某批次軌道列車車輛轉向架軸箱端蓋在經過近 240h的疲勞試驗后,3個軸箱端蓋均發(fā)生了斷裂, 且斷裂時間遠低于原本預測的時間。據調查,端蓋 材料為中碳低合金42CrMo鋼板材,其坯料經鍛造 后進行了正常的退火和調質處理,再進行機械加工 而制成。 

筆者采用宏觀分析、化學成分分析、力學性能檢 測、金 相 檢 驗、掃 描 電 鏡 斷 口 分 析 等 方 法,對 42CrMo鋼軸箱端蓋的斷裂原因進行了分析。結果 表明:該軸箱端蓋的斷裂為多源性振動疲勞斷裂,造 成疲勞斷裂的主要原因是在交變拉壓振動的應力作 用下,螺栓沉頭孔內角圓周處發(fā)生應力集中,導致了多源性振動疲勞裂紋。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察

斷裂軸箱端蓋的宏觀形貌如圖1所示,斷裂部 位為與負載相連接的端蓋側板上的兩個螺孔處。

軸箱端蓋斷口及周邊宏觀形貌如圖2所示。軸箱 端蓋斷口宏觀形貌如圖2a)所示,沉頭孔的徑向另一側 邊緣[圖2a)中箭頭所指]有一條窄的韌性斷裂條帶。 整個斷口呈凹凸不平狀,可見明顯的裂紋源區(qū)(斷口的 沉頭孔邊緣)、裂紋擴展和碾壓變形區(qū)、最后瞬斷區(qū)。

由圖2b)可知,斷口處端蓋右側板上分布兩個 相距很近的沉頭孔,沉頭孔根部沒有圓滑過渡,而是 呈尖銳 的 直 角。 整 個 斷 口 上 無 明 顯 的 塑 性 變 形 痕跡。

由圖2c)可知,斷口上沿沉頭孔斷裂邊緣向外 分布著許多放射狀臺階條紋,這些應該是發(fā)生開裂 的裂紋源點。 

將斷裂的軸箱端蓋沉頭孔部位進行酸蝕檢驗, 按照 GB/T226—2015 《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕 檢驗法》,采用體視顯微鏡對兩個沉頭孔的邊緣區(qū)域 進行觀察分析,斷口形貌如圖3所示。 

由圖3可知,端蓋彎板上兩個沉頭孔的內角處 存在許多微裂紋,且這些微裂紋垂直于內角線或沿 內角線上沿 45°傾斜方向擴展,這說明在疲勞試驗 過程中,沉頭孔的尖角處除了受到拉壓交變應力外, 同時還受到單向交變的扭轉應力作用。

1.2 化學成分分析 

在開裂軸 箱 端 蓋 斷 口 處 取 樣,對 其 進 行 成 分 分析,分析儀器為 LabSpark750型火花直讀光譜 儀,結果如表1所示。由表1可知,斷裂軸箱端蓋 材料 為 42CrMo鋼,其 化 學 成 分 完 全 符 合 GB/T 17107—1997 《鍛件用結構鋼牌號和力學性能》的 標準要求。

1.3 力學性能測試 

按照相關檢驗標準 GB/T228.1—2010 《金屬 材料 拉伸 試 驗 第 1 部 分:室 溫 試 驗 方 法》、GB/T 229—2007 《金 屬 材 料 夏 比 擺 錘 沖 擊 試 驗 方 法》、 GB/T231—2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部 分:試驗方法》分別制作軸箱端蓋的拉伸、沖擊、布氏 硬度試樣。拉伸試樣為?10mm 標準試樣,采用計 算機控制 GNT300型電子萬能試驗機進行拉伸性 能測試;制作3根規(guī)格為10mm×10mm×55mm 的沖擊試樣,采用 NI300C 型擺錘式沖擊試驗機進行 常 溫 U 型 口 沖 擊 試 驗;用 荷 蘭 NEXUS 3001XLM-IMP型布氏硬度計進行布氏硬度測試。 軸箱端蓋的力學性能測試結果如表2所示,由表2 可知,試樣的抗拉強度和屈服強度低于該鋼的標準 值,其他性能數(shù)據均符合標準要求。

1.4 金相檢驗 

在軸箱端蓋正常部位和斷口處磨損最嚴重區(qū)分 別取樣,磨制成金相試樣后,用 Axioobserver型金 相顯微鏡進行非金屬夾雜物分析。發(fā)現(xiàn)正常處和斷 口處均有少量的灰色硫化物和球狀氧化物,按標準GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測 定 標準評級圖顯微檢驗法》進行夾雜物級別評定, 其中 A 類細系0.5級、D 類細系0.5級。該斷裂端 蓋材料的非金屬夾雜物含量級別較低,這說明夾雜 物不是導致產品斷裂的原因。

對軸箱端蓋正常部位和斷口處進行金相檢驗, 結果如圖4所示,由圖4可知,試樣正常部位和斷口 處的顯微組織完全一致,皆為均勻的回火索氏體+ 少量回火貝氏體組織,屬于具有中淬透性的合金結 構鋼的正常調質組織,按國標 GB/T13320—2007 《鋼質模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》進行顯 微組織級別評定,均為2級,符合標準要求。

在圖2b)箭頭所指位置的截面取樣,沉頭孔內 角處截面的微觀形貌如圖5所示,可見沉頭孔內角 周向存在大量呈放射狀向內擴展的微裂紋,屬于明 顯的應力集中裂紋,裂紋深度為348μm。尖角微裂 紋和平面宏觀裂紋的兩側組織正常,均不存在脫碳 層,裂紋內無氧化物填充,這說明裂紋的形成與熱處 理無關,而是在后期的疲勞試驗中產生的。

1.5 掃描電鏡分析 

在軸箱端蓋斷裂處取斷口試樣,經超聲波清洗 后,用Sigma300型掃描電鏡進行觀察與分析,發(fā)現(xiàn) 在裂紋擴展區(qū)表面存在密集且平行分布的疲勞輝紋 (見圖6),同時有大部分區(qū)域存在磨損和沖壓留下的表面淺層塑性變形,該斷裂屬于疲勞斷裂,其裂紋 源起源于沉頭孔的尖角處。

2 分析與討論 

綜合各項檢驗結果可知,軸箱端蓋的斷裂原因 有結構設計及材料性能兩方面原因。

結構設計原因:端蓋側彎板是懸臂梁,在試驗和 使用過程中,其承受一定的應力,在螺栓緊固的情況 下,受力的作用點是兩個螺孔周邊平面,如果螺栓連 接處于松動狀態(tài),則其受力點為包括螺孔的上下側 壁,此處將承受較大的應力。如果螺孔的結構形狀 設計不當且存在尖角,在尖角處就極容易形成集中 應力。該斷裂件的螺孔設計成下凹的沉頭孔,且沉 頭孔的內角是車削加工的直角,無圓滑過渡,尖角處 有明顯粗大的刀痕。在交變應力反復作用下,在尖 角處極易產生應力集中而形成微裂紋。同時,彎板 平面上的兩個螺栓的間距過近,這將促進裂紋擴展 后的斷裂進程。

材料性能原因:拉伸試驗結果表明,端蓋材料的抗 拉強度和屈服強度比標準要求低。如果螺紋沉頭孔內 角發(fā)生應力集中,則外加應力會加速微裂紋的形成。

綜上所述,在高頻率、長時間的交變應力作用 下,在圓周各處形成了均勻一致的多點微裂紋,即構 成多點裂紋源。隨著試驗時間的延長,這些裂紋源 的微裂紋逐漸向前擴展而開裂,在長時間的高頻率 交變拉壓應力下,已經開裂的裂口也會上下反復碰 撞,最終造成斷口擴展區(qū)表面層的受壓變形與磨損。 由于裂紋逐漸擴展,開裂面積不斷增大,最后當剩余 面積上所受的拉應力超過材料的強度時,就發(fā)生了 瞬時斷裂[1-5]。

3 結語與建議 

(1)軸箱端蓋在疲勞斷裂早期所發(fā)生的斷裂屬 于應力集中導致的多源性振動疲勞斷裂,應力集中 是由螺栓沉頭孔上的尖角受到較高的應力引起的。

(2)建議將軸箱端蓋側彎板上的兩個沉頭螺栓 孔改成平面凸臺,以減少應力集中,并調整調質熱處 理的回火溫度,以提高材料的強度。

參考文獻: 

[1] 王榮.風能發(fā) 電 機 組 結 構 件 的 失 效 分 析 與 預 防(續(xù) 完)第3講 軸承的失效分析與預防[J].理 化 檢 驗 (物理分冊),2019,55(12):815-823. 

[2] 余世杰,龔丹梅,陳猛,等.42CrMo鋼三棱螺旋鉆桿 接頭斷裂原因分析[J].理化檢驗(物理分冊),2020, 56(5):52-55. 

[3] 朱澤曉,朱江,李振華.某加工中心刀塔芯軸斷裂原 因分析[J].理 化 檢 驗(物 理 分 冊),2020,56(5):59- 62. 

[4] 孟凡西,閆行 義.55CrSi鋼 氣 門 彈 簧 斷 裂 原 因 分 析 [J].理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),2009,45(7):446-447, 466. 

[5] 虞禎君.發(fā)動機凸輪軸正時帶輪緊固螺栓斷裂原因 分析[J].理化檢驗(物理分冊),2020,56(1):41. 

<文章來源   > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 8期 (pp:43-45)>