工程機械銷軸斷裂原因

范全保,李金波,李仕超,李 昂

(河鋼集團邯鋼公司 技術(shù)中心,邯鄲 056015)

焊接工藝是熱加工工藝中最容易產(chǎn)生缺陷的工藝之一，由于鋼的淬硬性，材料中的氣體氫、雜質(zhì)以及焊接應(yīng)力等因素的影響，焊接過程中容易產(chǎn)生熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋等缺陷，使焊接結(jié)構(gòu)件存在失效的隱患[1-2]。

工程機械銷軸是機械零部件間的連接元件，承受較大單向彎曲載荷、剪切應(yīng)力或擠壓應(yīng)力等[3]。某工程機械銷軸由40Cr鋼軸與Q235B鋼套管焊接而成，服役條件較差，長期暴露于潮濕和水泥粉塵的環(huán)境中，3個月后發(fā)生斷裂。為找到銷軸斷裂的原因，筆者對其進(jìn)行了理化檢驗和分析，以期為焊接工藝的改進(jìn)和預(yù)防銷軸斷裂提供幫助。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該工程機械銷軸于40Cr鋼軸與Q235B鋼套管焊接處斷裂，將40Cr鋼軸沿斷裂面分為兩部分，兩側(cè)斷面分別稱為斷面A和斷面B。由圖1所示的斷口宏觀形貌可見，裂紋源位于焊接焊縫處，沿40Cr鋼軸的橫截面擴展，斷口宏觀平直呈放射狀花樣，具有明顯脆性斷裂特征。

圖1 斷裂銷軸的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured pin shaft

1.2 化學(xué)成分分析

對斷裂銷軸取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見其化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對40Cr鋼成分的要求，但磷、硫等雜質(zhì)元素含量相對偏高，雖未超出標(biāo)準(zhǔn)要求但高于正常生產(chǎn)時內(nèi)部控制要求(磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.020%,硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.015%)。

表1 斷裂銷軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the cracked pin shaft (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

從斷面B沿裂紋源縱向切開，制作矩形塊狀試樣，試樣經(jīng)拋光、浸蝕后觀察其顯微組織。在其右上角的裂紋源附近發(fā)現(xiàn)有與母材浸蝕著色程度不同的異常組織，如圖2所示。

圖2 取樣位置及異常組織Fig.2 Sampling position and abnormal microstructure

進(jìn)一步放大觀察，可見裂紋源附近異常組織為以馬氏體為主的焊接熱影響區(qū)組織，母材區(qū)顯微組織為鐵素體+珠光體，如圖3所示。

圖3 裂紋源附近的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology around the crack source

圖4 焊點附近的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology around the solder joint

圖5 熱影響區(qū)的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of heat affected zone

切取斷面上帶有焊縫的試樣并觀察其顯微組織形貌，如圖4所示，可見試樣存在界面清晰的典型焊接形貌分區(qū)，包括焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。

進(jìn)一步觀察熱影響區(qū)的顯微組織形貌，如圖5所示，可見熱影響區(qū)中接近焊縫區(qū)的組織為粗大的馬氏體，是焊接過程高溫導(dǎo)致奧氏體晶粒粗化而形成的過熱區(qū)，這一區(qū)域晶界脆性較大；向內(nèi)組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛杉?xì)小馬氏體組成的細(xì)晶區(qū)；靠近母材區(qū)組織是由細(xì)小馬氏體和顆粒狀鐵素體組成的混合組織，為不完全淬火區(qū)，具有一定的強度和韌性。

對圖5所示熱影響區(qū)中的過熱區(qū)放大觀察，如圖6所示，在粗大馬氏體組織內(nèi)發(fā)現(xiàn)了沿晶分布的裂紋缺陷，可判斷為應(yīng)力斷裂。

圖6 熱影響區(qū)的過熱區(qū)顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of overheatedzone in heat affected zone

進(jìn)一步放大觀察圖4所示帶有焊縫的試樣，如圖7所示，可見在熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的界面處有一條寬度約30 μm的深色焊接熔合帶，帶內(nèi)存在雜質(zhì)富集的現(xiàn)象，可進(jìn)一步判斷銷軸斷裂起始于熱影響區(qū)的過熱區(qū)與焊縫區(qū)的界面處。

圖7 焊縫區(qū)和熱影響區(qū)界面處的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of the interface between weld line zone and heat affected zone

2 分析與討論

2.1 斷裂銷軸裂紋源分析

通過化學(xué)成分分析可知該銷軸的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)對40Cr鋼成分的要求，但母材中磷、硫等雜質(zhì)元素含量相對偏高，對于焊接質(zhì)量存在隱患。因為磷和硫元素會使母材結(jié)晶溫度區(qū)間增大，并極易引起偏析而形成各種低熔點共晶體，增大斷裂傾向。

由斷裂銷軸斷口宏觀形貌可見明顯的放射狀花樣，為脆性斷裂特征，判斷起裂源于銷軸表面的焊接焊點附近。另外，銷軸發(fā)生斷裂時所受載荷低于設(shè)備額定載荷，所受應(yīng)力低于材料設(shè)計強度，為低應(yīng)力脆斷。

根據(jù)對斷裂銷軸的顯微組織觀察，結(jié)合40Cr鋼屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，淬硬傾向大的特點[4],分析是由于銷軸在焊接后冷卻速度過快，形成了以馬氏體為主的焊接熱影響區(qū)組織[5-7]。馬氏體組織硬度高、脆性大，它的存在使得焊縫塑性降低、應(yīng)力增大，在焊接快冷條件的收縮應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生應(yīng)力裂紋缺陷[8-10]。同時，在熱影響區(qū)過熱區(qū)的粗大馬氏體組織內(nèi)發(fā)現(xiàn)了沿晶裂紋缺陷，以及在熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的界面處有一條寬度約30 μm的深色焊接熔合帶，帶內(nèi)存在雜質(zhì)富集的現(xiàn)象，可進(jìn)一步判斷銷軸斷裂起始于熱影響區(qū)的過熱區(qū)與焊縫區(qū)的界面處。

2.2 焊縫熔合帶分析

裂紋源顯微組織分析顯示在熱影響區(qū)和焊縫區(qū)界面處存在一條熔合帶，帶內(nèi)由于雜質(zhì)富集在銷軸服役受力過程中易形成微裂紋源。熔合帶是焊接接頭的薄弱區(qū)域，是易于造成局部脆性破壞的發(fā)源地[11]，加上熱影響區(qū)內(nèi)存在粗大馬氏體組織和應(yīng)力，在該區(qū)域兩種因素疊加作用使得微裂紋形成和擴展。

3 結(jié)論及建議

(1) 該工程機械銷軸由于焊接過程中在熱影響區(qū)內(nèi)形成了淬硬的馬氏體組織，產(chǎn)生了較大內(nèi)應(yīng)力，加上焊縫和熱影響區(qū)界面熔合帶內(nèi)雜質(zhì)富集，形成微裂紋源，在外力作用下微裂紋擴展，最終導(dǎo)致銷軸發(fā)生了脆性斷裂。

(2) 40Cr鋼屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，淬硬傾向大，容易在焊縫和熱影響區(qū)中產(chǎn)生裂紋，需通過控制焊接后焊縫區(qū)冷卻速度，或采用在焊接前對焊接金屬進(jìn)行預(yù)熱的方式，防止焊接后因冷卻速度過快導(dǎo)致淬火時形成馬氏體組織。

(3) 在選材和焊接前要保證焊接母材和焊接金屬面的潔凈。一方面需提高母材潔凈度，嚴(yán)格控制母材中磷、硫等雜質(zhì)元素的含量；另一方面需保證焊接前焊接金屬面的潔凈，避免焊接過程中油污、銹跡等雜質(zhì)在熔合帶內(nèi)富集，形成潛在裂紋隱患。