机械花键轴断裂原因分析

金林奎，焦东风

1.状态说明

（1）该失效件曾送交某研究院检测，最终检测结果为调质处理淬火裂纹。对热处理工艺进行排查，从工件来料装筐、设备使用前检查、热处理工艺的制订及实施、热处理后试样的检测，结果没有发现任何问题。

（2）我们对送检的样件重新检测，客户提供的裂纹样块为20mm×20mm×40mm，未见到失效件本体、断裂部位和断裂形式，工件实际服役状况也没详细了解。据客户介绍，工件的材质为42CrMo低合金调质钢，零件的工艺路线为：下料→锻造→粗加工→调质。

（3）将样件分成两块，经镶嵌、磨制、抛光、浸蚀，目测就可以看到，断口为凹凸不平的断面，断口边缘有一层非常明显的较深的白亮层，推测可能是脱碳层（见图1、图2）。

2.化学成分

在样块上线切割截取15mm×15mm×10mm（长×宽×厚）的试样，进行化学成分检测，检测设备为Labspark5000精密直读火花光谱仪，检查结果表明化学成分符合材料标准要求。化学成分的检查结果见附表。

3.金相组织

（1）用1E-200M型金相显微镜进行金相组织观察，试样断口表面的白亮层，为细小等轴状铁素体。这种组织是较低奥氏体温度下，由原始锻造柱状晶组织重结晶细化形成的。该组织为锻造开裂后高温氧化脱碳，脱碳层组织经过奥氏体化重结晶的典型形貌特征（见图3）。

（2）断口处的二次裂纹两侧，被以铁素体组织为主的脱碳层完全包围，裂纹内充满浅灰色的高温氧化产物，说明二次裂纹仍然是在锻造加工过程中形成的（见图4）。

（3）主裂纹断口表面堆积大量的高温形成的氧化物，表明锻造加工时加热温度高，裂纹边缘氧化脱碳现象严重，其中全脱碳层较深，半脱碳层较浅（见图5）。裂纹的次表层镶嵌有较多量的氧化物夹杂，这是由于锻造加工时，裂纹内表层高温氧化形成的氧化皮，在锻轧焊合过程中嵌入到次表层而形成（见图6）。

图1 断口白亮层（1#样）

图2 断口白亮层（2#样）

样块化学成分（质量分数） （%）

（4）试样主裂纹断口处沿晶开裂，晶粒剥落坑极粗大，剥落坑的宽度显示出晶粒的直径。经测量晶粒的直径为0.40mm，对应晶粒度的级别达0级，属于严重的过热组织。锻造加热时局部区域加热温度过高，晶粒急剧长大，晶界宽化及晶间弱化，晶间结合力急剧降低。此时的锻造应力远大于晶间结合力，造成锻造热裂纹脆性开裂（见图7）。

（5）断口表面全脱碳层的铁素体组织，呈细小等轴状分布。该组织属于锻造开裂氧化脱碳后的重结晶组织。锻造开裂后裂纹内高温氧化脱碳，断口表层形成粗大柱状晶组织，调质处理过程的再加热，使柱状晶组织重新奥氏体化形核，转变为细小等轴状组织（见图8）。

（6）试样的基体组织为细小马氏体位向的回火索氏体＋少量颗粒状铁素体调质组织，调质组织级别评定为2级，国家标准要求1～4级，检验结果合格。调质组织的平均晶粒直径为0.02mm，对应的组织晶粒度级别为8级，调质工艺正常（见图9、图10）。

4.结论

（1）试样的失效断裂形式为锻造开裂。

（2）锻造开裂的原因是由于锻造加热时局部温度过高，造成锻造热裂纹。

5.分析与建议

针对该公司某研究院检测报告中的试验、分析和论述，提出一些建议供参考。

图3 裂纹脱碳层（40×）

图4 裂纹脱碳层（100×）

图5 表面氧化皮（100×）

图6 氧化皮嵌入（100×）

图7 粗大剥落坑（100×）

图8 重结晶组织（400×）

图9 1#样基体组织（400×）

（1）试验报告对图1未表明断口形貌特征。由图片可以观察到宏观断口的形貌，左边为放射状断口，右边为石状断口。断裂源的部位应该由石状断口处开始，沿放射状断口扩展，最终开裂。这种断裂形式属于典型的脆性断口形貌特征。

图10 2#样基体组织（400×）

（2）试验报告对图2的推测，裂纹是由于粗加工刀痕引起的。由图片观察，切削加工的刀痕不深，而且主裂纹走向与切削加工刀痕呈约30°夹角，二次裂纹走向与切削加工刀痕垂直，裂纹的扩展方向不符合调质淬火应力集中的特征。当然出现淬火开裂的裂纹两侧，是不会有脱碳层出现的。

（3）试验报告图3、图4是扫描电镜图片，对图片中的表述是冰糖状组织。冰糖状花样的微观特征形貌，只有在白点、氢脆、应力腐蚀断口中发生，而其他组织结构中一般不存在。该扫描电镜的图片放大倍率低，而且笔者看到的报告为纸质复印件，难以准确鉴别组织类别，同时也无法确定断口特征形貌是沿晶＋准解理，还是沿晶＋韧窝。

（4）报告对图3、图4的论述为：“该样件的断裂机制为沿晶解理脆性断裂”。该试样确实属于沿晶脆性断裂，但不是解理断裂。因为解理断裂是穿晶型的，且解理断裂的组织形态表现为淬火状态脆性断裂，或是在韧脆性转变温度以下瞬间冲击断裂。

（5）试验报告图5中，试样的基体组织为珠光体＋铁素体。笔者在实际试样中未见到该组织特征。实际观察到的金相组织为马氏体位向的回火索氏体＋少量的颗粒状铁素体，属于典型调质处理后的组织特征。可能由于取样的部位不同，实际观察的组织也就不一样。

（6）报告中对工件渗氮处理进行了微区成分检查。笔者因在试样断裂面上未见到渗氮处理的组织痕迹，故对试样的渗氮处理工艺及检测，未做任何表述。