典型低周疲勞失效案例分析

張健

國家再制造機械產品質量監督檢驗中心 山東泰安 271000

1 序言

某公司新設計了一種支撐摯子，用于壓縮彈簧。采用42CrMo圓鋼鍛造成板狀粗加工后進行調質處理，主要工序為：鍛造→粗加工→調質→精加工→發黑。在試用過程中發生低周疲勞斷裂，運行50次左右即發生斷裂，如圖1、圖2所示。

圖1 試樣開裂情況（側面）

圖2 試樣開裂情況（正面）

根據設計要求，零件夾持彈簧處于“凸”形卡槽內（見圖1），B側施加向下的力壓縮彈簧，后松開回復原位。首先可以確定 “凸”形兩側采用了直角設計，沒有倒角或圓角，該設計容易在夾角處產生應力集中，因此零件存在設計不合理之處。從圖2可以看出，兩側斷口中間各有一條深灰色的條狀痕跡，貫穿整個斷口，其余斷裂位置為灰白色，灰色條紋下方可看到條帶狀紋路，判斷是疲勞條帶[1]，灰色條帶屬于裂紋源。零件夾角處受力狀況最為惡劣，斷裂一般發生在此處，但此次斷裂卻先發生在材料內部，夾角處最后斷裂，斷裂原因需進行檢測分析。

2 理化檢測

2.1 成分檢測

依據GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》要求，采用真空直讀光譜儀對斷口試樣成分進行檢測，結果表明，樣品成分符合標準中42CrMo鋼成分要求（見表1），可以排除混料因素。

表1 斷口樣品的化學成分（質量分數） （%）

2.2 斷口檢測

用斷口觀測儀對斷口進行觀測，如圖3所示。從圖3可以看出，裂紋源即觀測到的深色條紋區域，放大后可以發現與裂紋源平行的疲勞條帶（見圖4），疲勞條帶在下側非常明顯（靠近夾角處，見圖1中A側），上側則不明顯（遠離夾角處，圖1中B側）。疲勞弧線基本平行于裂紋源，間距相對稀疏，數量少，屬于典型的低周疲勞斷裂宏觀斷口形貌。

圖4 裂紋源下方的疲勞條帶

圖3中裂紋源的組織形貌在掃描電鏡下分為兩類：2區在深色條紋中間，正中心部分為準解理斷裂[2]，周圍包裹韌窩斷裂（見圖5），準解理斷口上可明顯看出河流花樣的條紋，并伴隨有明顯的撕裂棱和韌窩帶，每個準解理斷裂基本發生在一格晶粒內部（見圖6）；1區大部分為準解理斷裂，伴生有部分韌窩帶和撕裂棱，沒有被韌窩斷裂包裹（見圖7）。圖8所示為裂紋源和疲勞條帶區交界處，二者之間有一條20μm左右的韌窩帶。圖9所示為疲勞條帶區，在疲勞斷裂過程中，呈現波浪形，條帶表現為非常光滑的韌性斷裂。在最終瞬斷區全部為韌窩斷裂（見圖10）。

圖3 條狀區域斷口微觀形貌

圖5 裂紋源正中心的斷口形貌

圖6 裂紋源正中心的斷口局部放大

圖7 裂紋源遠離中心的斷口形貌

圖8 裂紋源與疲勞條帶交界處

圖9 疲勞條帶形貌

圖10 瞬斷區形貌

2.3 金相檢測

沿零件長度方向，垂直于裂紋源截取試樣進行鑲嵌，拋光后經4%硝酸酒精溶液腐蝕，宏觀觀測發現存在組織偏析，分深色和淺色兩相區域，兩相組織犬牙交錯，沿零件的長度方向分布（見圖11），但在裂紋源附近深色組織方向明顯有變化，偏向裂紋源方向。將金相樣品調整方向（即圖12的底側），垂直于零件長度方向，鑲嵌拋光腐蝕后發現，其靠近零件外表面組織相對均勻，內部同樣出現組織偏析，如圖12所示。裂紋源附近金相組織如圖13所示，從中可以發現，裂紋源處是大塊的深色組織，裂紋源的上下兩側是淺色組織。放大后發現，深色組織主要為索氏體組織和少量游離鐵素體，而淺色區域主要為鐵素體上分布島嶼狀滲碳體，并伴有深色的索氏體（見圖14）。

圖11 零件長度方向，垂直于裂紋源金相形貌

圖12 垂直于零件長度方向金相形貌

圖13 裂紋源附近金相組織

圖14 組織偏析形貌

2.4 硬度檢測

對樣塊進行洛氏硬度檢測，發現硬度為24～30HRC，硬度值波動幅度偏大。金相檢測后分別對白色和深色區域進行顯微硬度檢測，經多點測量，發現兩相的硬度并不均勻。基本規律為，淺色區域的硬度較深色區域的硬度高40～50HV（見圖15）。

圖15 兩相組織顯微硬度

3 疲勞斷裂原因分析

據廠家提供的參數，零件之所以采用直角設計，是因為所用彈簧最大壓縮力值為430N±43N，遠低于零件設計強度，直角設計便于加持。但是在實際應用中，彈簧的壓縮頻率很高，零件實際受設備下壓力和彈簧回彈力，其中設備下壓力要遠比彈簧回彈力高，因此零件夾角處容易產生應力集中現象，故零件采用直角設計是失效的重要原因之一，此斷裂容易從夾角處率先開裂，但此次從零件拐角處正中心開裂，說明其心部強度不足。

根據斷口的宏觀形貌和金相組織可以發現，零件近表面組織均勻，但內部組織偏析嚴重。根據廠家提供的資料，此零件是先采用圓鋼進行鍛造成板狀，再進行粗加工和調質處理。從工藝看，在母材即出現組織偏析的可能性較大，推斷鍛造過程中外表層變形充分，使表面組織均勻性有所改善，但心部變形相對不足或鍛造溫度控制不當，導致心部偏析沒有得到消除，反而隨變形被壓扁拉長。

從金相組織和硬度看，深色區域和淺色組織明顯不同，兩區域硬度有一定的差異，深色區域硬度低，說明強度偏低。此次裂紋源發生在硬度偏低的深色區域內，且從圖11可以看出，裂紋源處的深色組織區域方向性明顯不同，其余組織方向都沿著長度方向，此處偏向外側，說明零件受到交變應力時，強度偏低的深色區域無法抵擋變形，先發生準解理斷裂，此后在交變應力作用下，發生疲勞開裂。由于拐角內側（圖1中A側）同時受彈簧回彈力和外加壓力作用，導致裂紋源拐角側的疲勞條帶更為明顯，遠離拐角一側只受彈簧的回彈力，受力小，故變形小，疲勞條帶不明顯。

4 結論與建議

1）通過以上分析得出，由于材料內部組織偏析嚴重，導致承載性能下降，在外加壓力和彈簧支撐力的交替作用下，發生疲勞斷裂，是零件失效的主要原因；零件采用直角設計，在拐角處容易產生應力集中現象，是疲勞失效的重要原因。

2）采用加大鐓鍛次數和鐓鍛比，做好始鍛和終鍛溫度的控制，可以有效改善組織偏析[3]；鍛造之后需要加入正火工序，來均勻組織，細化晶粒，但此次組織偏析嚴重，已經不是正火能徹底解決的[4]，還需要加強對原材料的品控管理。另外，在設計中零件結構過渡處需圓滑，或預留足夠的倒角，避免尖角的出現，以防止出現應力集中現象。