十字万向接轴端面齿法兰叉头断裂原因分析

李天方 张 军 王长健 李继昌

(1.海装重庆局，重庆400042;2.中国二重检测中心，四川618013)

材质为ZG42Cr1Mo的立辊主传动十字万向接轴用的法兰叉头使用不到7个月，其端面齿发生断裂。该法兰叉头是按JB/T5000.6—1998标准进行生产制造验收的铸件。为明确事故原因，对法兰叉头断裂原因进行了分析。

1 检验方法

(1)将法兰叉头两端断口采用专用的断口清洗剂进行清洗，观察分析叉头宏观断口形貌。

(2)在两端断口附近各切取一块低倍试样，分别记为1#、2#，进行宏观低倍组织及缺陷分析。

(3)取两组力学试样，进行力学性能分析，一组在叉头上切取低倍试样后的余料上切取，方向为叉头环向方向，另一组直接在2#低倍试样上切取，方向为叉头轴向方向。

(4)在1#低倍试片上的缺陷处切取金相分析试样，进行金相组织分析，取样示意图见图1。

图1 取样示意图Figure 1 Sampling drawing

2 试验结果

2.1 宏观断口检验

法兰叉头断口锈蚀严重，经过专用清洗剂清洗后观察，断口面粗糙，晶粒粗大，断口为沿晶断裂，在断口上可以看到明显的自由结晶表面，见图2。

2.2 力学性能检验

对法兰叉头的环向和轴向进行力学性能检验，检验结果见表1。将检验结果与技术要求JB/T5000.6—1998对比可看出，该法兰叉头的抗拉强度Rm均达到技术要求值的上限甚至超过上限要求；延伸率A极低，远低于标准要求值；冲击值也远远低于标准值要求，仅为标准要求值的一半；硬度值超过标准要求值的上限。

2.3 低倍检验

两块低倍试片采用50%的盐酸热浸蚀后，在其组织上均观察到明显的疏松孔洞与裂纹，其中1#低倍试片的疏松严重程度高于2#低倍试片，见图3和图4。

2.4 高倍检验

高倍试样抛光后未经腐蚀时进行观察，发现有明显的疏松孔洞，见图5。Ⅰ型夹杂物按TB/T2451—1993评级为2级。经4%的硝酸酒精溶液腐蚀后观察，发现组织存在明显的沿原铸造一次晶的网状偏析，疏松孔洞分布在原铸造一次晶晶界上，见图6。沿铸造一次晶偏析区组织为回火贝氏体，正常区也为回火贝氏体，但其碳化物弥散度相比偏析区要小，见图7和图8。晶粒度按GB6394—2002评级为5.5级。

图2 断口的宏观形貌Figure 2 The macroscopic appearance of fracture

力学性能Re/MPaRm/MPaA5(%)Z(%)Akv/JHBW环向1#8058302.815103092#-8902.41512309轴向1#-8201.68.6JB/T5000.6—1998标准要求≥490690～830≥11-22220～260

图3 1#低倍试片的宏观组织Figure 3 The macroscopic structure of macroscopic specimen 1#

图4 2#低倍试片的宏观组织Figure 4 The macroscopic structure of macroscopic specimen 2#

图5 疏松孔洞形貌 ×50Figure 5 Appearance of porosity ×50

图6 网状铸造一次晶 ×50Figure 6 Primary mesh grain boundary obtained by casting ×50

图7 铸造一次晶组织 ×500Figure 7 Primary grain boundary obtained by casting ×500

图8 正常区组织 ×500Figure 8 Structure in normal zone ×500

3 讨论

3.1 从法兰叉头断口宏观形貌观察发现，断口为沿晶断口，断口粗糙，断面晶粒粗大，该法兰叉头断裂为快速脆性断裂。

3.2 低倍检验结果证实，该法兰叉头内部存在大

量的疏松孔洞。高倍检验结果发现，该法兰叉头存在沿原铸造一次晶网状偏析，疏松孔洞均产生在铸造一次晶偏析区内。力学性能测试结果证实该法兰叉头冲击功和塑性极差，均远远低于标准值要求。根据上述事实推断，该十字万向接轴每次在启动和运转过程中，法兰叉头必然承受巨大的反复的冲击作用和扭矩作用，由于材料的冲击功和塑性极差，必然在材料的内部缺陷——疏松孔洞处萌生裂纹，并沿铸造一次晶形成快速沿晶开裂。

4 结论

通过一系列检验分析确认法兰叉头、断口为沿晶断口，并发现有自由结晶表面，即证实了该法兰叉头是沿铸造一次晶内的疏松孔洞处开裂。综上所述，导致十字万向接轴端面齿法兰叉头断裂原因为该铸件冲击功、塑性极差和铸件内部存在大量的疏松孔洞。