45#钢农机转向轴断裂原因分析*

赵立新，史 伟，李金梅，蒙 骞，陈维刚

(1.兰州长信机电制造有限责任公司，甘肃 兰州 730050； 2.兰州兰石检测技术有限公司，甘肃 兰州 730314)

0 引 言

转向轴的功用是将驾驶员作用于转向盘的转向力矩传递给转向器，它的上部与转向盘固定连接，下部与转向器相连，以此来控制车轮前进的方向，因此转向轴性能的好坏对车辆的安全使用而言至关重要[1]。某公司采购的农机转向轴安装拧紧过程中，转向轴螺纹根部发生了脆性断裂如图1、2所示，造成了转向轴的失效报废。该转向轴轴材质为45#钢，供货标注的热处理状态为调质。笔者针对以上问题，对其取样进行了化学分析、金相检验、热处理试验、夏比冲击等相关内容的检验与分析，最终找出失效原因并得出能够指导此类轴热处理过程的结论。

1 理化检测

1.1 化学分析

在转向轴开裂断口附近取样，采用QSN750 型直读光谱仪，依据标准JIS G1253-2002 AMD.1-2013，项目基金来源：市级科技计划项目(2019-4-48)。

《钢铁-火花放电原子发射光谱分析法》对试样进行化学成分分析(如表1所列)，结果符合GB/T699-2015《优质碳素结构钢》中对45#钢的要求。

图1 断裂的转向轴 图2 转向轴断裂断口形貌

表1 化学成分分析结果 /%

1.2 金相检验

1.2.1 宏观检验

转向轴整体断口平整，未有塑性表明的痕迹，整体呈现脆性断裂的特征(如图2所示)。在转向轴断口以下10 mm处取样进行宏观检验，试样经酸蚀后宏观检测，其中中心疏松级别为1.0级，未发现缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮和白点等缺陷等缺陷(如图3所示)。

1.2.2 显微分析

在断口附近取样，采用GX51型光学显微镜进行显微组织分析，发现显微组织为索氏体+铁素体，晶粒度未发现长大，未发现明显的过热、过烧、魏氏组织等异常现象(如图4所示)。试验室对转向轴取样按照GB/T699-2015《优质碳素结构钢》要求进行调质处理，其中淬火温度为860 ℃，回火温度为600 ℃，显微组织为回火索氏体+少量铁素体(如图5所示)。

图4 转向轴显微组织 图5 经调质处理后试样的显微组织

1.2.3 冲击韧性试验

在转向轴上取样两组冲击试样，一组直接进行冲击韧性试验，另一组按照GB/T699-2015《优质碳素结构钢》要求进行调质处理。

冲击试验采用ZBC2602N-3型冲击试验机，按照GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行试验(见表2)，冲击试验结果表明转向轴上直接取样后的试样冲击韧性较差，远低于标准要求值，经过试验室调质处理后的试样，冲击韧性较好，符合标准GB/T699-2015《优质碳素结构钢》的要求。

表2 冲击韧性试验结果

2 分析与讨论

通过化学分析发现，转向轴材质的化学成分符合GB/T699-2015《优质碳素结构钢》中对45#钢的标准要求，表明转向轴断裂不是由于材料的化学成分不符合标准要求而引起的。

宏观断口上来看，在其断裂过程中未发现明显的塑性变形，整个断口表现为明显的脆性断裂特征，宏观检验时发现其中心疏松级级别为1.0级，中心疏松亦未达到足以引起开裂的级别。未发现缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮和白点等缺陷等缺陷。

显微组织检验时发现转向轴的显微组织为索氏体+铁素体，未发现明显的过热、过烧、魏氏组织等异常现象，但是其显微组织与工艺要求的调质热处理的结果不吻合，试验室取样进行调质处理后，所得的显微组织为回火索氏体+少量铁素体，与调质热处理的要求吻合。

冲击韧性试验结果表明，转向轴的冲击功平均值仅为15.2J，远低于标准要求值39J，尤其是试验温度选择在室温，试验温度与安装时断裂温度相近，即表明转向轴在室温下受力极容易发生脆性开裂。试验室取样进行调质热处理后的试样冲击功平均值为72J，符合标准GB/T699-2015《优质碳素结构钢》的要求，冲击韧性明显变好。

综上所述，造成转向轴断裂的原因是由于其调质热处理过程中造成的，可能是其淬火时冷却速度过慢或者是采用了正火处理[2]，最终形成索氏体+铁素体的平衡组织，与该材料调质热处理应该得到回火索氏体的显微组织明显不吻合，造成了其冲击韧性达不到标准的要求[3-4]，在其安装过程中，由于螺纹根部容易引起应力集中，导致转向轴受拧紧力在螺纹根部发生脆性断裂，从而导致转向轴断裂失效[5-6]。

3 结 语

针对该农机转向轴断裂失效问题，进行了化学分析、金相检验、热处理试验、夏比冲击等相关内容的检验与分析。最终发现：转向轴在其调质热处理环节中的淬火时冷却速度过慢或是采用了正火处理，没有得到回火索氏体，造成其冲击韧性达不到标准要求。在其安装过程中受力在螺纹根部发生脆性开裂，从而导致转向轴断裂失效，本文结论对该类转向轴的热处理工艺具有一定指导作用。