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

關(guān)鍵詞:42CrMo鋼;軸箱端蓋;多源疲勞斷裂;應(yīng)力集中

中圖分類號(hào):TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)08-0043-03

某批次軌道列車車輛轉(zhuǎn)向架軸箱端蓋在經(jīng)過(guò)近 240h的疲勞試驗(yàn)后,3個(gè)軸箱端蓋均發(fā)生了斷裂, 且斷裂時(shí)間遠(yuǎn)低于原本預(yù)測(cè)的時(shí)間。據(jù)調(diào)查,端蓋 材料為中碳低合金42CrMo鋼板材,其坯料經(jīng)鍛造 后進(jìn)行了正常的退火和調(diào)質(zhì)處理,再進(jìn)行機(jī)械加工 而制成。

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

1 理化檢驗(yàn)

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(fù)載相連接的端蓋側(cè)板上的兩個(gè)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(cè) 邊緣[圖2a)中箭頭所指]有一條窄的韌性斷裂條帶。 整個(gè)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(kuò)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(cè)板上分布兩個(gè) 相距很近的沉頭孔,沉頭孔根部沒(méi)有圓滑過(guò)渡,而是 呈尖銳 的 直 角。 整 個(gè) 斷 口 上 無(wú) 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(tái)階條紋,這些應(yīng)該是發(fā)生開裂 的裂紋源點(diǎn)。

將斷裂的軸箱端蓋沉頭孔部位進(jìn)行酸蝕檢驗(yàn), 按照 GB/T226—2015 《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕 檢驗(yàn)法》,采用體視顯微鏡對(duì)兩個(gè)沉頭孔的邊緣區(qū)域 進(jìn)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(gè)沉頭孔的內(nèi)角處 存在許多微裂紋,且這些微裂紋垂直于內(nèi)角線或沿 內(nèi)角線上沿 45°傾斜方向擴(kuò)展,這說(shuō)明在疲勞試驗(yàn) 過(guò)程中,沉頭孔的尖角處除了受到拉壓交變應(yīng)力外, 同時(shí)還受到單向交變的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用。

1.2 化學(xué)成分分析

在開裂軸 箱 端 蓋 斷 口 處 取 樣,對(duì) 其 進(jìn) 行 成 分 分析,分析儀器為 LabSpark750型火花直讀光譜 儀,結(jié)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(xué) 成 分 完 全 符 合 GB/T 17107—1997 《鍛件用結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)和力學(xué)性能》的 標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

按照相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) GB/T228.1—2010 《金屬 材料 拉伸 試 驗(yàn) 第 1 部 分:室 溫 試 驗(yàn) 方 法》、GB/T 229—2007 《金 屬 材 料 夏 比 擺 錘 沖 擊 試 驗(yàn) 方 法》、 GB/T231—2009《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部 分:試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)試樣,采用計(jì) 算機(jī)控制 GNT300型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性 能測(cè)試;制作3根規(guī)格為10mm×10mm×55mm 的沖擊試樣,采用 NI300C 型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行 常 溫 U 型 口 沖 擊 試 驗(yàn);用 荷 蘭 NEXUS 3001XLM-IMP型布氏硬度計(jì)進(jìn)行布氏硬度測(cè)試。 軸箱端蓋的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示,由表2 可知,試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度低于該鋼的標(biāo)準(zhǔn) 值,其他性能數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 金相檢驗(yàn)

在軸箱端蓋正常部位和斷口處磨損最嚴(yán)重區(qū)分 別取樣,磨制成金相試樣后,用 Axioobserver型金 相顯微鏡進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè) 定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行夾雜物級(jí)別評(píng)定, 其中 A 類細(xì)系0.5級(jí)、D 類細(xì)系0.5級(jí)。該斷裂端 蓋材料的非金屬夾雜物含量級(jí)別較低,這說(shuō)明夾雜 物不是導(dǎo)致產(chǎn)品斷裂的原因。

對(duì)軸箱端蓋正常部位和斷口處進(jìn)行金相檢驗(yàn), 結(jié)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(jié) 構(gòu)鋼的正常調(diào)質(zhì)組織,按國(guó)標(biāo) GB/T13320—2007 《鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》進(jìn)行顯 微組織級(jí)別評(píng)定,均為2級(jí),符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

在圖2b)箭頭所指位置的截面取樣,沉頭孔內(nèi) 角處截面的微觀形貌如圖5所示,可見沉頭孔內(nèi)角 周向存在大量呈放射狀向內(nèi)擴(kuò)展的微裂紋,屬于明 顯的應(yīng)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(cè)組織正常,均不存在脫碳 層,裂紋內(nèi)無(wú)氧化物填充,這說(shuō)明裂紋的形成與熱處 理無(wú)關(guān),而是在后期的疲勞試驗(yàn)中產(chǎn)生的。

1.5 掃描電鏡分析

在軸箱端蓋斷裂處取斷口試樣,經(jīng)超聲波清洗 后,用Sigma300型掃描電鏡進(jìn)行觀察與分析,發(fā)現(xiàn) 在裂紋擴(kuò)展區(qū)表面存在密集且平行分布的疲勞輝紋 (見圖6),同時(shí)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(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果可知,軸箱端蓋的斷裂原因 有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料性能兩方面原因。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因:端蓋側(cè)彎板是懸臂梁,在試驗(yàn)和 使用過(guò)程中,其承受一定的應(yīng)力,在螺栓緊固的情況 下,受力的作用點(diǎn)是兩個(gè)螺孔周邊平面,如果螺栓連 接處于松動(dòng)狀態(tài),則其受力點(diǎn)為包括螺孔的上下側(cè) 壁,此處將承受較大的應(yīng)力。如果螺孔的結(jié)構(gòu)形狀 設(shè)計(jì)不當(dāng)且存在尖角,在尖角處就極容易形成集中 應(yīng)力。該斷裂件的螺孔設(shè)計(jì)成下凹的沉頭孔,且沉 頭孔的內(nèi)角是車削加工的直角,無(wú)圓滑過(guò)渡,尖角處 有明顯粗大的刀痕。在交變應(yīng)力反復(fù)作用下,在尖 角處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成微裂紋。同時(shí),彎板 平面上的兩個(gè)螺栓的間距過(guò)近,這將促進(jìn)裂紋擴(kuò)展 后的斷裂進(jìn)程。

材料性能原因:拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,端蓋材料的抗 拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)要求低。如果螺紋沉頭孔內(nèi) 角發(fā)生應(yīng)力集中,則外加應(yīng)力會(huì)加速微裂紋的形成。

綜上所述,在高頻率、長(zhǎng)時(shí)間的交變應(yīng)力作用 下,在圓周各處形成了均勻一致的多點(diǎn)微裂紋,即構(gòu) 成多點(diǎn)裂紋源。隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),這些裂紋源 的微裂紋逐漸向前擴(kuò)展而開裂,在長(zhǎng)時(shí)間的高頻率 交變拉壓應(yīng)力下,已經(jīng)開裂的裂口也會(huì)上下反復(fù)碰撞,最終造成斷口擴(kuò)展區(qū)表面層的受壓變形與磨損。 由于裂紋逐漸擴(kuò)展,開裂面積不斷增大,最后當(dāng)剩余 面積上所受的拉應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度時(shí),就發(fā)生了 瞬時(shí)斷裂[1-5]。

3 結(jié)語(yǔ)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(yīng)力集中導(dǎo)致的多源性振動(dòng)疲勞斷裂,應(yīng)力集中 是由螺栓沉頭孔上的尖角受到較高的應(yīng)力引起的。

(2)建議將軸箱端蓋側(cè)彎板上的兩個(gè)沉頭螺栓 孔改成平面凸臺(tái),以減少應(yīng)力集中,并調(diào)整調(diào)質(zhì)熱處 理的回火溫度,以提高材料的強(qiáng)度。

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