45B钢链轨销轴断裂原因分析

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(1. 徐工集团 江苏徐州工程机械研究院, 徐州 221004; 2. 徐工集团 高端工程机械智能制造国家重点实验室, 徐州 221004)

45B钢链轨销轴断裂原因分析

张东亚1,2,李毅1,2,冯坤1,2,朱鹏霄1,2,徐国1,2

(1. 徐工集团 江苏徐州工程机械研究院, 徐州 221004; 2. 徐工集团 高端工程机械智能制造国家重点实验室, 徐州 221004)

某45B钢链轨销轴在使用过程中发生早期断裂。通过化学成分分析、硬度测试、有效硬化层深度测定、金相检验、断口分析等方法，对销轴的断裂原因进行了分析。结果表明：销轴断裂机制为准解理断裂+韧性断裂的混合型断裂；在使用过程中，45B钢材料中的球状氧化物剥落留下微孔洞形成裂纹源，在弯曲应力的作用下，裂纹源迅速放射扩展，造成销轴早期断裂。

45B钢； 销轴； 断裂； 解理； 韧窝； 氧化物

链轨销轴是工程机械履带总成上的重要零件之一，承担着链轨节之间的连接，使用过程中承受一定的弯曲应力[1]。45B钢是在45钢的基础上加入硼元素得到的合金钢，微量硼元素的加入可以显著提高碳钢的淬透能力，使得45B钢比45钢具有更好的淬透性和优良的综合力学性能。45B钢通常在调质态使用，用于制造轴类等零件[2-3]。

某工程机械履带链轨节销轴采用45B钢制造，销轴直径为38 mm，其加工过程为：下料→粗车→调质→精车→精磨→中频感应淬火→低温回火→抛光→防锈入库。销轴技术要求为：表面硬度为52～60 HRC，心部硬度为26～38 HRC；有效硬化层深度为7～14 mm。该销轴在使用过程中发生早期断裂，如图1所示。为查找其断裂原因，指导销轴生产，笔者对断裂销轴进行了一系列理化检验和分析。

图1 断裂销轴外观Fig.1 Appearance of the fractured pin shaft

1 理化检验

1.1化学成分分析

在靠近销轴断口横截面处取样，利用火花直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示。从表1可以看出，断裂销轴的化学成分满足GB/T 3077-2015《合金结构钢》[4]对45B钢化学成分的要求。

表1 销轴的化学成分分析结果(质量分数)Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the pin shaft (mass fraction) %

1.2硬度测试

根据GB/T 230.1-2009的要求[5]，利用THRP-150D型数显洛氏硬度计对销轴的表面硬度及心部硬度进行测试，销轴表面及心部各测试5个点，测试结果取平均值，如表2所示。由结果可见，销轴的表面及心部硬度均符合设计要求，硬度均匀，波动较小。

表2 销轴洛氏硬度测试结果Tab.2 Testing results of Rockwell hardness of the pin shaft HRC

1.3有效硬化层深度测定

图2 销轴表面至心部的硬度分布Fig.2 Distribution of hardness from surface to center of the pin shaft

在靠近销轴断口区域切取横断面试样，磨抛后利用维氏硬度计从试样的表面向心部进行维氏硬度测试，测试第1点距销轴表面距离为0.2 mm，后续测试点间距为0.5 mm，测试载荷为9.8 N，在试样上测试3处位置，表面至心部的硬度变化曲线如图2所示。根据GB/T 5617-2005[6]的要求测定销轴感应淬火的有效硬化层深度，由于技术要求中表面最低硬度为52.0 HRC(544 HV1)，因此确定用于测定有效硬化层深度的极限硬度为435 HV1。被测3处位置的有效硬化层深度分别约为9.00，9.36，9.54 mm，均符合技术要求中有效硬化层深度为7～14 mm的规定。

1.4金相检验

在靠近销轴断口处沿径向取3个不同位置的金相试样，取样位置如图3所示，磨抛后使用4%(体积分数)硝酸酒精溶液进行侵蚀，采用倒置金相显微镜对销轴不同位置的显微组织进行观察，结果如图4所示。由图4可以看出：销轴心部显微组织为回火索氏体+少量白色块状物，对白色块状物进行维氏硬度测试，硬度约为560 HV0.3，推测白色块状物为隐针马氏体；过渡区域显微组织为板条马氏体+少量淬火托氏体；边缘区域显微组织为板条马氏体+少量残余奥氏体。从不同区域的显微组织可见，销轴表面经历了中频感应淬火工艺，在感应淬火前销轴进行了调质处理，但在感应淬火加热过程中销轴心部组织部分奥氏体化形成奥氏体，由于45B钢具有良好的淬透性，在随后的冷却过程中形成了隐针马氏体[7]。

图3 销轴取样位置示意图Fig.3 Schematic diagram of sampling positions of the pin shaft

1.5断口分析

1.5.1 宏观分析

图5为销轴断口的宏观形貌。断口截面直径约为37 mm，断口受力点处可见少许塑性变形。裂纹源位于销轴内部靠近边缘区域，裂纹产生后呈放射状向四周扩展，销轴断口心部粗糙不平，呈纤维状。瞬断区靠近销轴受力点，有折叠变形特征，这是因为销轴在使用过程中受到类似于简支梁弯曲的弯曲应力，在销轴断裂之前发生了少许塑性变形。

图4 销轴断口附近的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of the area near the fracture of the pin shaft:a) center; b) transition region; c) edge

图5 销轴断口的宏观形貌Fig.5 Macro morphology of fracture surface of the pin shaft:a) vertical view; b) side view

1.5.2 微观分析

将销轴断口放入酒精中使用超声波清洗后，在扫描电子显微镜下进行观察，断口微观形貌如图6所示。由图6a)可见，裂纹源区存在剥落孔洞，直径约0.15 mm，孔洞内可见微小的夹杂物残余；由图6b)可见，裂纹扩展区1(宏观断口心部纤维状区)呈明显的韧窝形貌，并伴有少量撕裂棱；由图6c)可见，裂纹扩展区2(宏观断口靠近表面的放射区)存在河流花样。从裂纹扩展区的微观形貌特征可见，销轴的断裂机制为韧性断裂+准解离断裂的混合型断裂。对孔洞内的夹杂物残余颗粒进行能谱分析，结果如图7所示，可知夹杂物由氧、硅、钙、锰、铁等元素组成，氧元素含量较高，质量分数约为44%，结合孔洞形状可推测该处可能存在球状氧化物夹杂。

图6 销轴断面的微观形貌Fig.6 Micro morphology of fracture surface of the pin shaft:a) crack source; b) crack extending zone 1; c) crack extending zone 2

图7 夹杂物能谱分析结果Fig.7 Analysis results of energy spectrum of inclusions: a) energy spectrum; b) semi-quantitative analysis histogram

2 分析与讨论

从化学成分分析结果可知，销轴材料符合国家标准对45B钢的技术要求。销轴的表面硬度及心部硬度测试结果也符合技术要求。通过金相检验可知，销轴表面显微组织为板条马氏体+少量残余奥氏体，判断销轴经历了中频感应淬火处理。使用维氏硬度计测得销轴有效硬化层深度为9 mm左右，符合技术要求，心部显微组织为回火索氏体+少量白色块状隐针马氏体，推测在感应淬火加热过程中销轴心部组织部分奥氏体化，由于45B钢具有良好的淬透性，在随后冷却过程中形成了少量隐针马氏体。

宏观断口观察发现，销轴裂纹源位于销轴内部靠近边缘区域，裂纹形成后呈放射状向四周扩展，断口心部粗糙，呈纤维状，断口微观形貌可见河流花样特征及韧窝形貌，说明销轴的断裂过程是准解理断裂和韧性断裂的混合型断裂。通过能谱分析发现，裂纹源孔洞内有氧化物夹杂残余，推测裂纹源区的孔洞是使用过程中球状氧化物颗粒受到挤压力碎裂脱落形成的。材料中夹杂物的存在破坏了基体的连续性，在外力作用下形变时，位错易在夹杂物与基体的交界堆积处形成应力集中[8-10]。氧化物夹杂属于脆性夹杂，当应力集中到一定程度时，氧化物夹杂破碎，形成微小裂纹，成为断裂的起点[11]。在裂纹源区微观形貌中观察到较大尺寸的孔洞，其直径约为0.15 mm，此为销轴在使用过程中发生早期断裂的主要原因。

3 结论及建议

45B钢销轴的断裂机制为准解理断裂和韧性断裂的混合型断裂，销轴材料中含有球状脆性氧化物，球状氧化物碎裂剥落形成裂纹源，在弯曲应力的作用下，裂纹源迅速放射扩展，造成销轴早期断裂。建议对销轴进行无损检测,以检出导致销轴断裂的宏观夹杂物。

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[4] GB/T 3077-2015 合金结构钢[S].

[5] GB/T 230.1-2009 金属材料 洛氏硬度试验 第1部分:试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)[S].

[6] GB/T 5617-2005 钢的感应淬火或火焰淬火后有效硬化层深度的测定[S].

[7] 夏立芳.金属热处理工艺学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2012.

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[11] 杨川,高国庆,崔国栋.金属材料零部件失效分析基础[M].北京:国防工业出版社,2012.

AnalysisonFractureReasonsofthe45BSteelPinShaftUsedforChainTracks

ZHANGDongya1,2,LIYi1,2,FENGKun1,2,ZHUPengxiao1,2,XUGuo1,2

(1. Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute, Xuzhou Construction Machinery Group, Xuzhou 221004; 2. State Key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Advanced Construction Machinery, Xuzhou Construction Machinery Group, Xuzhou 221004)

The 45B steel pin shaft used for chain tracks fractured early during use. The fracture reasons of the pin shaft were analyzed by means of chemical composition analysis, hardness testing, depth measurement of effective hardened layer, metallographic examination and fracture analysis. The results show that: the fracture type of the pin shaft was mixed of quasi-cleavage fracture and ductile fracture; the micro pores caused by peeling off of the spheroidal oxides formed the crack source during use; under the action of bending stress, the crack source expanded rapidly and resulted in the early fracture of the pin shaft.

45B steel; pin shaft; fracture; cleavage; dimple; oxide

10.11973/lhjy-wl201709016

2016-12-11

张东亚(1988-)，男，工程师，硕士，主要从事耐磨技术、理化检验方面的工作，dongya33@126.com

TG115.2

：B

：1001-4012(2017)09-0683-04