40Cr钢矿用车轴早期断裂失效分析

赵喜庆，祖义忠，杨光伟，宋正会

（凌源钢铁股份有限公司技术中心，辽宁朝阳122504）

40Cr钢矿用车轴早期断裂失效分析

赵喜庆，祖义忠，杨光伟，宋正会

（凌源钢铁股份有限公司技术中心，辽宁朝阳122504）

通过40Cr钢矿用车轴在使用不足120h后即发生断裂案例解析，经宏观和微观分析表明：该轴属于疲劳断裂。车轴没有经过调质处理是造成轴断裂的内因；加工精度差是造成轴断裂的外因。

车轴；调质处理；加工精度；疲劳裂纹；失效分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.143

1 概述

车轴是矿用车的重要部件，承载着货物及车体的全部重量，对于车轴这种在运行中承受高频交变载荷的重要部件，在货物运行中一旦断裂，后果十分严重[1]。

使用φ70mm规格40Cr圆钢生产的矿用车轴，在运行120h后即发生断裂，断裂部位为轮座与轴头连接处，矿用车车轴基本结构及断裂位置如图1所示。矿用车车轴的主要技术要求：调质硬度217～255HB。该车轴经下述加工工艺制作而成：下料→矫直→粗车→平头打孔→攻丝→调质处理→喷丸→精车→装配。其中，轴身直径70mm，轴头直径65mm。为了查明其断裂原因，从失效断轴入手，结合车轴加工过程等因素，查明失效的机理，并对失效原因作出分析判断。

2 检验结果与分析

2.1 硬度检测

布氏硬度计检测车轴平均硬度为180HB，属于40Cr钢热轧状态硬度范围。

图1 车轴基本结构和断裂位置示意图

2.2 宏观分析断轴的宏观断口形貌（见图2），宏观观察矿用车轴断口发现，整个断口平齐，基本在垂直于轴线的同一平面内，断口分为两个区域：疲劳区（B）和终断区（C）,终断区呈纤维状，直径约40mm，疲劳区断口平滑。（A）区为车轴加工区域，从图2可以发现，车轴在加工过程中存在偏心现象，轴头到轴身最宽处4.5mm，最窄处不足2.0mm。从断口形态和终断位置可以确定断裂为多向弯曲疲劳断裂。宏观观察结果表明，疲劳裂纹从断口周边即轴的边缘开始向中心扩展。

图2 车轴断口宏观形貌

2.3 微观分析

使用显微镜观测其显微组织为珠光体、网状铁素体和少量块状铁素体，属于热轧状态组织，表明该轴未经过淬火加回火的调质处理。

使用德国ZEISS EVO18扫描电子显微镜对裂纹的加工区、疲劳区、终断区进行微观分析。在与断口毗邻的轴身横截面观察到明显的切削刀痕及严重的裂纹现象（见图3），由于在轴头的根部表面存在严重的加工刀痕和加工造成的表面龟裂，断裂即由这类裂纹引起，这类裂纹在弯曲交变载荷作用下直接由加工裂纹根部向纵深扩展，造成轴疲劳断裂[2]。对B区放大到400倍后观察，微观疲劳条纹清晰可见（见图4）。终断区为最终拉断部分，具有典型的韧窝特征（见图5）。

图3 加工裂纹微观形貌

图4 疲劳裂纹微观形貌

图5 终断区的微观形貌

3 讨论

车轴的显微组织为珠光体、网状铁素体和少量块状铁素体，说明车轴未经过调质处理，属于热轧状态。非调质处理组织中存在着较多的铁素体相降低了材料的硬度，进而严重削弱了材料的强度。40Cr钢经过调质处理布氏硬度在217～255HB，对应抗拉强度在740～870MPa；而热轧状态的40Cr钢布氏硬度180HB，对应抗拉强度在610MPa左右，与调质处理后相比，抗拉强度降低近150MPa左右。未经调质处理抗拉强度较低，是造成小车轴早期断裂的内因。

矿用车轴在工作状态下，在轴头根部将形成应力集中。宏观断口分析表明，车轴在加工过程存在的偏心现象使轴头根部除受到扭矩作用外，还受到切应力的作用，这将加剧疲劳断裂向深度方向扩展[3]。扫描电镜分析结果表明，轴加工质量较差，存在明显的刀痕和显微裂纹，这种裂纹大体上以同心圆的形式从表面的裂纹源向内部逐渐扩展。裂纹源发展成为宏观裂纹时削弱了车轴截面的有效面积，当有效面积小到难以承受荷载时，在偶尔的振动或冲击下，即发生突然断裂形成终断区[4]。疲劳区的表面光滑是由于疲劳裂纹两边的表面在循环应力作用下，时而分开时而压紧，相互研磨过程中形成的。小车轴的加工质量较差是造成车轴疲劳断裂的外因。

4 结论

1）断轴具有疲劳断裂的特征，属于明显的疲劳断裂事故。

2）车轴没有经过调质处理，其强度和韧性明显偏低。矿用车轴工作环境恶劣，在承受较大载荷的情况下极易发生断裂，因此，在制造过程中一定要按照技术要求进行调质处理。

3）车轴存在加工刀痕和明显的偏心现象，在偏心现象产生交变切应力的作用下，刀痕处的微裂纹易形成疲劳断裂的裂纹源。

【1】周建斌.机车车轴疲劳问题分析与对策[J].电力机车与城轨车辆，2008，31(2)：5-7.

【2】孙智，钱永康.45钢渣浆泵主轴早期疲劳断裂分析[J].金属热处理，2000（5）：32-34.

【3】李文成.机械装备失效分析[M].北京：冶金工业出版社，2008.

【4】姜锡山，赵晗.钢铁显微断口速查手册[K].北京：机械工业出版社，2010.

Analysis on Early-Stage Fracture Failure of Mining Axle Made of 40Cr Steel

ZHAO Xi-qing，ZU Yi-zhong，YANG Guang-wei，SONG Zheng-hui
(Technology Center of Lingyuan Iron&Steel Co.Ltd.,Chaoyang 122504,China)

The mining axle made of40Cr steel fractured after being used for less than120hours.Macro and micro analysis shows that the axle fractured because of fatigue.The axle has not experienced quenching and tempering treatment,which is the internal cause.The poor machining accuracy is the external cause.

axle;quenching and tempering treatment;machining accuracy;fatigue cracks;failure analysis

TH133.2

A

1007-9467（2016）11-0093-02

2016-10-12

赵喜庆（1972～），男，内蒙古察右前旗人，工程师，从事优特钢新产品开发研究。