張健

國(guó)家再制造機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 山東泰安 271000

1 序言

某公司新設(shè)計(jì)了一種支撐摯子，用于壓縮彈簧。采用42CrMo圓鋼鍛造成板狀粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，主要工序?yàn)椋哄懺臁旨庸ぁ{(diào)質(zhì)→精加工→發(fā)黑。在試用過(guò)程中發(fā)生低周疲勞斷裂，運(yùn)行50次左右即發(fā)生斷裂，如圖1、圖2所示。

圖1 試樣開裂情況（側(cè)面）

圖2 試樣開裂情況（正面）

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，零件夾持彈簧處于“凸”形卡槽內(nèi)（見圖1），B側(cè)施加向下的力壓縮彈簧，后松開回復(fù)原位。首先可以確定 “凸”形兩側(cè)采用了直角設(shè)計(jì)，沒(méi)有倒角或圓角，該設(shè)計(jì)容易在夾角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此零件存在設(shè)計(jì)不合理之處。從圖2可以看出，兩側(cè)斷口中間各有一條深灰色的條狀痕跡，貫穿整個(gè)斷口，其余斷裂位置為灰白色，灰色條紋下方可看到條帶狀紋路，判斷是疲勞條帶[1]，灰色條帶屬于裂紋源。零件夾角處受力狀況最為惡劣，斷裂一般發(fā)生在此處，但此次斷裂卻先發(fā)生在材料內(nèi)部，夾角處最后斷裂，斷裂原因需進(jìn)行檢測(cè)分析。

2 理化檢測(cè)

2.1 成分檢測(cè)

依據(jù)GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求，采用真空直讀光譜儀對(duì)斷口試樣成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，樣品成分符合標(biāo)準(zhǔn)中42CrMo鋼成分要求（見表1），可以排除混料因素。

表1 斷口樣品的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 斷口檢測(cè)

用斷口觀測(cè)儀對(duì)斷口進(jìn)行觀測(cè)，如圖3所示。從圖3可以看出，裂紋源即觀測(cè)到的深色條紋區(qū)域，放大后可以發(fā)現(xiàn)與裂紋源平行的疲勞條帶（見圖4），疲勞條帶在下側(cè)非常明顯（靠近夾角處，見圖1中A側(cè)），上側(cè)則不明顯（遠(yuǎn)離夾角處，圖1中B側(cè)）。疲勞弧線基本平行于裂紋源，間距相對(duì)稀疏，數(shù)量少，屬于典型的低周疲勞斷裂宏觀斷口形貌。

圖4 裂紋源下方的疲勞條帶

圖3中裂紋源的組織形貌在掃描電鏡下分為兩類：2區(qū)在深色條紋中間，正中心部分為準(zhǔn)解理斷裂[2]，周圍包裹韌窩斷裂（見圖5），準(zhǔn)解理斷口上可明顯看出河流花樣的條紋，并伴隨有明顯的撕裂棱和韌窩帶，每個(gè)準(zhǔn)解理斷裂基本發(fā)生在一格晶粒內(nèi)部（見圖6）；1區(qū)大部分為準(zhǔn)解理斷裂，伴生有部分韌窩帶和撕裂棱，沒(méi)有被韌窩斷裂包裹（見圖7）。圖8所示為裂紋源和疲勞條帶區(qū)交界處，二者之間有一條20μm左右的韌窩帶。圖9所示為疲勞條帶區(qū)，在疲勞斷裂過(guò)程中，呈現(xiàn)波浪形，條帶表現(xiàn)為非常光滑的韌性斷裂。在最終瞬斷區(qū)全部為韌窩斷裂（見圖10）。

圖3 條狀區(qū)域斷口微觀形貌

圖5 裂紋源正中心的斷口形貌

圖6 裂紋源正中心的斷口局部放大

圖7 裂紋源遠(yuǎn)離中心的斷口形貌

圖8 裂紋源與疲勞條帶交界處

圖9 疲勞條帶形貌

圖10 瞬斷區(qū)形貌

2.3 金相檢測(cè)

沿零件長(zhǎng)度方向，垂直于裂紋源截取試樣進(jìn)行鑲嵌，拋光后經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕，宏觀觀測(cè)發(fā)現(xiàn)存在組織偏析，分深色和淺色兩相區(qū)域，兩相組織犬牙交錯(cuò)，沿零件的長(zhǎng)度方向分布（見圖11），但在裂紋源附近深色組織方向明顯有變化，偏向裂紋源方向。將金相樣品調(diào)整方向（即圖12的底側(cè)），垂直于零件長(zhǎng)度方向，鑲嵌拋光腐蝕后發(fā)現(xiàn)，其靠近零件外表面組織相對(duì)均勻，內(nèi)部同樣出現(xiàn)組織偏析，如圖12所示。裂紋源附近金相組織如圖13所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，裂紋源處是大塊的深色組織，裂紋源的上下兩側(cè)是淺色組織。放大后發(fā)現(xiàn)，深色組織主要為索氏體組織和少量游離鐵素體，而淺色區(qū)域主要為鐵素體上分布島嶼狀滲碳體，并伴有深色的索氏體（見圖14）。

圖11 零件長(zhǎng)度方向，垂直于裂紋源金相形貌

圖12 垂直于零件長(zhǎng)度方向金相形貌

圖13 裂紋源附近金相組織

圖14 組織偏析形貌

2.4 硬度檢測(cè)

對(duì)樣塊進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)硬度為24～30HRC，硬度值波動(dòng)幅度偏大。金相檢測(cè)后分別對(duì)白色和深色區(qū)域進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，經(jīng)多點(diǎn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)兩相的硬度并不均勻?；疽?guī)律為，淺色區(qū)域的硬度較深色區(qū)域的硬度高40～50HV（見圖15）。

圖15 兩相組織顯微硬度

3 疲勞斷裂原因分析

據(jù)廠家提供的參數(shù)，零件之所以采用直角設(shè)計(jì)，是因?yàn)樗脧椈勺畲髩嚎s力值為430N±43N，遠(yuǎn)低于零件設(shè)計(jì)強(qiáng)度，直角設(shè)計(jì)便于加持。但是在實(shí)際應(yīng)用中，彈簧的壓縮頻率很高，零件實(shí)際受設(shè)備下壓力和彈簧回彈力，其中設(shè)備下壓力要遠(yuǎn)比彈簧回彈力高，因此零件夾角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，故零件采用直角設(shè)計(jì)是失效的重要原因之一，此斷裂容易從夾角處率先開裂，但此次從零件拐角處正中心開裂，說(shuō)明其心部強(qiáng)度不足。

根據(jù)斷口的宏觀形貌和金相組織可以發(fā)現(xiàn)，零件近表面組織均勻，但內(nèi)部組織偏析嚴(yán)重。根據(jù)廠家提供的資料，此零件是先采用圓鋼進(jìn)行鍛造成板狀，再進(jìn)行粗加工和調(diào)質(zhì)處理。從工藝看，在母材即出現(xiàn)組織偏析的可能性較大，推斷鍛造過(guò)程中外表層變形充分，使表面組織均勻性有所改善，但心部變形相對(duì)不足或鍛造溫度控制不當(dāng)，導(dǎo)致心部偏析沒(méi)有得到消除，反而隨變形被壓扁拉長(zhǎng)。

從金相組織和硬度看，深色區(qū)域和淺色組織明顯不同，兩區(qū)域硬度有一定的差異，深色區(qū)域硬度低，說(shuō)明強(qiáng)度偏低。此次裂紋源發(fā)生在硬度偏低的深色區(qū)域內(nèi)，且從圖11可以看出，裂紋源處的深色組織區(qū)域方向性明顯不同，其余組織方向都沿著長(zhǎng)度方向，此處偏向外側(cè)，說(shuō)明零件受到交變應(yīng)力時(shí)，強(qiáng)度偏低的深色區(qū)域無(wú)法抵擋變形，先發(fā)生準(zhǔn)解理斷裂，此后在交變應(yīng)力作用下，發(fā)生疲勞開裂。由于拐角內(nèi)側(cè)（圖1中A側(cè)）同時(shí)受彈簧回彈力和外加壓力作用，導(dǎo)致裂紋源拐角側(cè)的疲勞條帶更為明顯，遠(yuǎn)離拐角一側(cè)只受彈簧的回彈力，受力小，故變形小，疲勞條帶不明顯。

4 結(jié)論與建議

1）通過(guò)以上分析得出，由于材料內(nèi)部組織偏析嚴(yán)重，導(dǎo)致承載性能下降，在外加壓力和彈簧支撐力的交替作用下，發(fā)生疲勞斷裂，是零件失效的主要原因；零件采用直角設(shè)計(jì)，在拐角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，是疲勞失效的重要原因。

2）采用加大鐓鍛次數(shù)和鐓鍛比，做好始鍛和終鍛溫度的控制，可以有效改善組織偏析[3]；鍛造之后需要加入正火工序，來(lái)均勻組織，細(xì)化晶粒，但此次組織偏析嚴(yán)重，已經(jīng)不是正火能徹底解決的[4]，還需要加強(qiáng)對(duì)原材料的品控管理。另外，在設(shè)計(jì)中零件結(jié)構(gòu)過(guò)渡處需圓滑，或預(yù)留足夠的倒角，避免尖角的出現(xiàn)，以防止出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。