鄭東偉，李松濤，王 鑫，趙晨光

（林州鳳寶管業(yè)有限公司檢測(cè)中心，河南 林州 456592）

20Mn2 鋼屬于低碳合金鋼，冷變形時(shí)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(chē)軸符合掛車(chē)輕量設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于重載貨車(chē)行業(yè)；而車(chē)軸類(lèi)零件是掛車(chē)系統(tǒng)中關(guān)鍵零件之一，其質(zhì)量的好壞直接影響到掛車(chē)使用的安全性和可靠性。而在生產(chǎn)檢驗(yàn)及使用過(guò)程中，車(chē)軸未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的服役壽命，時(shí)常出現(xiàn)早期開(kāi)裂情況，給企業(yè)造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失，因此分析車(chē)軸早期失效原因顯得十分必要。這里對(duì)導(dǎo)致兩個(gè)車(chē)軸早期開(kāi)裂的因素及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行探討。兩個(gè)失效車(chē)軸均為20Mn2 鋼Φ178 mm×11 mm 規(guī)格的熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)車(chē)軸，生產(chǎn)工藝有所不同。

1 號(hào)失效車(chē)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(diào)質(zhì)（井氏爐）→軸頭機(jī)加工→摩擦焊等。在摩擦焊后進(jìn)行電液伺服疲勞試驗(yàn)，電疲伺服疲勞試驗(yàn)為垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)負(fù)荷為脈動(dòng)循環(huán)負(fù)荷，多通道電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)的工作頻率不高于500次/min，示波器監(jiān)測(cè)直至車(chē)軸斷裂。疲勞壽命約59萬(wàn)次后出現(xiàn)開(kāi)裂（JT/T 475—2020《掛車(chē)車(chē)軸》要求平均疲勞壽命≥80 萬(wàn)次），開(kāi)裂部位位于推方過(guò)渡區(qū)附近軸頭部位。

2 號(hào)失效車(chē)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(diào)質(zhì)（井式爐）→拋丸后校直→軸頭機(jī)加工→焊接輔件→裝配，掛車(chē)車(chē)軸在投入使用后很快出現(xiàn)斷裂事故。

1 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

1.1 化學(xué)成分分析

從1～2 號(hào)失效車(chē)軸上分別取樣做化學(xué)成分分析，兩種失效車(chē)軸化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，兩種車(chē)軸的化學(xué)分析結(jié)果均符合客戶對(duì)20Mn2 鋼的要求。

表1 兩種失效車(chē)軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分析結(jié)果 %

1.2 斷口宏觀分析

1 號(hào)車(chē)軸開(kāi)裂部位位于推方過(guò)渡區(qū)附近，距離摩擦焊卷邊處約20 mm，圓周約3/4 開(kāi)裂。斷口形貌分為兩部分，紅色標(biāo)志區(qū)光滑平坦，呈瓷狀特征，該區(qū)顏色發(fā)灰，為疲勞開(kāi)裂區(qū)，且為多源開(kāi)裂，裂紋源位于外壁部位（最薄區(qū)域）；黃色標(biāo)志區(qū)斷口纖維放射紋路明顯，為后續(xù)擴(kuò)展區(qū)，宏觀觀察，軸頭外圓經(jīng)過(guò)機(jī)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(cè)量推方樣管部位4 個(gè)側(cè)面壁厚，A 端端面分別測(cè)量4 個(gè)平面及4 個(gè)圓弧角的壁厚，端面壁厚測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2，壁厚極差分別為0.5 mm 和0.3 mm。測(cè)量軸頭斷裂部位壁厚（外圓經(jīng)過(guò)加工），測(cè)量點(diǎn)到焊縫距離相同，1 號(hào)車(chē)軸開(kāi)裂樣管測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3，測(cè)量點(diǎn)1樣管壁厚最薄，壁厚均勻性較差，在測(cè)量點(diǎn)3 附近存在明顯黑皮。1 號(hào)軸頭壁厚測(cè)量位置如圖1 所示。

表3 1 號(hào)車(chē)軸開(kāi)裂部位壁厚測(cè)量結(jié)果 mm

圖1 1 號(hào)軸頭壁厚開(kāi)裂樣管測(cè)量位置示意

表2 1 號(hào)車(chē)軸推方部位兩端面壁厚測(cè)量結(jié)果 mm

2 號(hào)車(chē)軸開(kāi)裂位置位于車(chē)軸油封位和軸承位過(guò)渡圓弧根部部位，為橫向斷裂。斷裂部位是變徑角處，一側(cè)張開(kāi)較大，雙側(cè)張開(kāi)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?jī)蓚?cè)邊緣，有多個(gè)疲勞臺(tái)階，為線性多源開(kāi)裂，裂紋源區(qū)磨損氧化嚴(yán)重。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)較平坦，有明顯的疲勞紋；斷口中間兩側(cè)為最后斷裂區(qū)，斷口粗糙。2 號(hào)車(chē)軸開(kāi)裂樣管疲勞斷口宏觀形貌如圖2 所示。

圖2 2 號(hào)車(chē)軸開(kāi)裂樣管疲勞斷口宏觀形貌

1.3 斷口微觀分析

通過(guò)觀察1 號(hào)車(chē)軸裂紋源區(qū)域外表面，發(fā)現(xiàn)切削加工刀紋明顯，開(kāi)裂位于刀紋根部應(yīng)力集中部位，1 號(hào)車(chē)軸裂紋源部位如圖3 所示。用便攜式粗糙度儀測(cè)量車(chē)軸開(kāi)裂外表面處的粗糙度，顯示為3.2 μm，加工成符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求的1.6 μm 粗糙度。將裂紋源區(qū)樣品放入電鏡中觀察，近源區(qū)斷口上有高周脆性疲勞條紋，并呈放射性擴(kuò)展，1 號(hào)車(chē)軸掃描電鏡下疲勞斷口形貌如圖4 所示。2 號(hào)車(chē)軸斷口可見(jiàn)外壁有多處疲勞源臺(tái)階，開(kāi)裂源部位氧化較重，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的脆性疲勞特征，終斷區(qū)為韌窩形貌。

圖3 1 號(hào)車(chē)軸裂紋源部位形貌

圖4 1 號(hào)車(chē)軸掃描電鏡下疲勞斷口形貌

1.4 機(jī)械性能試驗(yàn)

在1 號(hào)車(chē)軸樣品上推方部位切取試樣加工后做機(jī)械性能試驗(yàn)，并在軸頭開(kāi)裂部位取樣做沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)（因樣品條件限制，無(wú)法做拉伸試驗(yàn)），可見(jiàn)軸體調(diào)質(zhì)后的強(qiáng)度指標(biāo)較高，硬度超出工藝上限要求，且軸頭開(kāi)裂部位的沖擊值遠(yuǎn)低于推方部位，1 號(hào)車(chē)軸推方部位機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，1號(hào)軸頭開(kāi)裂部位沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 1 號(hào)車(chē)軸推方部位機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果

從2 號(hào)開(kāi)裂車(chē)軸軸體部位取試樣，經(jīng)加工后做室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6，試樣抗拉強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。該車(chē)軸要求調(diào)質(zhì)后硬度為240～280 HBW，而靠近斷軸開(kāi)裂部位橫截面硬度為210～225 HBW，表明該車(chē)軸硬度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 2 號(hào)車(chē)軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.5 金相分析

1 號(hào)車(chē)軸外壁存在明顯加工刀紋，裂紋源位于刀紋根部，裂紋源周?chē)鸁o(wú)夾雜物偏聚等冶金缺陷，周?chē)M織為回火索氏體和少量網(wǎng)狀鐵素體，未見(jiàn)異常組織，1 號(hào)車(chē)軸裂紋源部位拋光態(tài)及金相組織形貌如圖5 所示。2 號(hào)車(chē)軸裂紋源周?chē)鸁o(wú)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(hào)車(chē)軸裂紋源和軸頭基體組織形貌如圖6 所示。1～2 號(hào)車(chē)軸裂紋源部位夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果正常，1～2 號(hào)車(chē)軸縱截面夾雜物分析結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 1～2 號(hào)車(chē)軸縱截面夾雜物分析結(jié)果 級(jí)

圖5 1 號(hào)車(chē)軸裂紋源部位拋光態(tài)及金相組織形貌

圖6 2 號(hào)車(chē)軸裂紋源和軸頭基體組織形貌

2 分析與討論

2.1 1 號(hào)失效車(chē)軸

1 號(hào)車(chē)軸推方部位和軸頭部位試樣的力學(xué)性能結(jié)果表明：試樣的強(qiáng)度、硬度較高，軸頭部位的沖擊值較低，側(cè)面反映出材料的脆性傾向也相對(duì)變大。據(jù)了解該客戶的調(diào)質(zhì)工藝為880 ℃淬火，540℃回火，保溫時(shí)間90 min。硬度超出工藝要求范圍，說(shuō)明淬火后回火溫度較低。工件的表面質(zhì)量對(duì)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(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)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(huì)引起局部的應(yīng)力集中而誘發(fā)疲勞裂紋的萌生。現(xiàn)有的理論研究表明，切削加工表面粗糙度指標(biāo)差形成的應(yīng)力集中大大增加了疲勞裂紋的形成概率和擴(kuò)展速率，從而降低了工件的疲勞強(qiáng)度。

據(jù)伍穎等研究的表面粗糙度對(duì)疲勞強(qiáng)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(yīng)力集中，產(chǎn)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(kuò)展，在經(jīng)受多次的應(yīng)力循環(huán)后，失穩(wěn)斷裂。車(chē)軸試樣化學(xué)成分、基體夾雜物符合要求，且裂紋源部位無(wú)大型夾雜物等冶金缺陷，周?chē)M織正常，但在該車(chē)軸的裂紋源部位發(fā)現(xiàn)切削加工時(shí)的粗刀紋是形成應(yīng)力集中疲勞開(kāi)裂的主要原因[1]。

2.2 2 號(hào)失效車(chē)軸

分析結(jié)果表明：該車(chē)橋軸發(fā)生了雙向彎曲疲勞開(kāi)裂，屬于多源疲勞開(kāi)裂，起裂源位于過(guò)渡圓角曲率半徑最小的位置，該位置存在應(yīng)力集中，是車(chē)橋軸上應(yīng)力水平較高的區(qū)域。源區(qū)附近表面加工狀態(tài)無(wú)異常，無(wú)外部損傷和異常冶金缺陷。屬于工作應(yīng)力超過(guò)零件本身的疲勞強(qiáng)度引起的脆性疲勞開(kāi)裂。材料的強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)要求是其開(kāi)裂的主要原因。

調(diào)質(zhì)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(qiáng)度，而且具有良好的韌性，從而使車(chē)軸具有良好的強(qiáng)韌性，較高的抗彎強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。該車(chē)軸廠家熱處理的調(diào)質(zhì)工藝為：淬火保溫860 ℃，保溫時(shí)間35 min，浸入式水冷，后560 ℃回火，保溫時(shí)間90 min。在車(chē)軸加工現(xiàn)場(chǎng)了解到，該車(chē)軸淬火后的冷卻水池較小，沒(méi)有安裝攪拌循環(huán)泵，水污染程度較高。這些因素造成工件淬火時(shí)冷卻能力不足，勢(shì)必影響馬氏體組織轉(zhuǎn)變不充分，后續(xù)出現(xiàn)先共析鐵素體及上貝氏體組織，造成材料的強(qiáng)度偏低。

2.2.1 調(diào)質(zhì)組織中鐵素體

亞共析鋼在亞溫區(qū)加熱保溫時(shí)，組織為奧氏體和鐵素體，冷卻時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變成其他組織，而鐵素體則被保留下來(lái)形成未溶鐵素體。未溶鐵素體的形成與亞溫區(qū)加熱、保溫有關(guān)，通常是正火、淬火加熱時(shí)欠溫所致；亞共析鋼在加熱到完全奧氏體狀態(tài)，冷卻時(shí)在亞溫區(qū)停留時(shí)間稍長(zhǎng)而緩冷，則鐵素體會(huì)沿奧氏體晶界析出，形成網(wǎng)狀鐵素體。而網(wǎng)狀鐵素體則與冷卻能力不足有關(guān)。調(diào)質(zhì)組織中鐵素體的存在，極大降低了材料的疲勞強(qiáng)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(shí)，碳化物沿條間呈不連續(xù)的粒狀或鏈珠狀分布，碳含量高時(shí)，碳化物呈桿狀甚至連續(xù)狀分布。調(diào)質(zhì)生產(chǎn)中淬火時(shí)冷卻能力不足是組織中產(chǎn)生上貝氏體組織的主要原因，回火溫度不足以使其產(chǎn)生相變故保留下來(lái)。上貝氏體因碳化物顆粒粗大，強(qiáng)化作用較小，特別因有片狀鐵素體存在，可能成為裂紋發(fā)展的通道，所以不僅抗拉強(qiáng)度低、脆性大，而且疲勞性能也較差。

3 改進(jìn)措施

3.1 1 號(hào)失效車(chē)軸

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

（1） 車(chē)軸調(diào)質(zhì)后硬度超出工藝要求的范圍，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整回火溫度，使產(chǎn)品調(diào)質(zhì)后機(jī)械性能在合理區(qū)間，提高產(chǎn)品的綜合性能。

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

（3） 加強(qiáng)對(duì)管材的入廠檢驗(yàn)和車(chē)軸機(jī)加工前的工藝控制，盡量避免加工時(shí)的壁厚不均及缺陷情況。

3.2 2 號(hào)失效車(chē)軸

由于該車(chē)軸淬火后冷卻能力不足使基體中產(chǎn)生了大量鐵素體和貝氏體組織，造成強(qiáng)度較低、疲勞性能較差，使用過(guò)程中交變荷載作用在變徑根部，發(fā)生早期疲勞斷裂情況。現(xiàn)場(chǎng)可以從兩點(diǎn)改進(jìn)：

（1） 加強(qiáng)熱處理過(guò)程監(jiān)督，嚴(yán)格按照工藝制度加熱、保溫及冷卻是獲得優(yōu)良組織和性能的關(guān)鍵。

（2） 冷卻水池配備循環(huán)泵，必要時(shí)改造冷卻循環(huán)水池，提高淬火冷卻速度，使組織充分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。避免出現(xiàn)不良的鐵素體、貝氏體組織，從而使材料性能滿足技術(shù)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

在車(chē)軸加工工藝上采取一定技術(shù)措施，嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝，滿足機(jī)械性能要求，改善產(chǎn)品表面粗糙度，做好原材料及工序間檢驗(yàn)控制工作是提高車(chē)軸的疲勞壽命的重要措施。