摩擦焊對接接頭斷裂失效研究

鄧穎章，肖毅強，黃仔牛

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

工程機械工作裝置是工程機械三大組件之一，是用來完成特定工程作業的功能部件總成。連接軸是某工程機械工作裝置中重要的連接零件，用于執行往復運動，驅動該工程機械完成相應工程作業。該連接軸分為頭部和桿部兩個部分。頭部采用合金鑄鋼為原材料，桿部采用碳素結構鋼為原材料，頭部與桿部通過摩擦焊工藝焊接成連接軸整體，如圖1所示。本次試制連接軸使用時間約為160 h，為早期斷裂失效。斷裂位置恰好為頭部與桿部的摩擦焊連接位置，斷裂處直徑為90 mm。本研究針對該本次發生早期斷裂的連接軸進行失效分析，找出斷裂原因。

圖1 連接軸斷裂位置示意圖

1 失效件理化檢驗分析

1.1 宏觀斷口分析

失效連接軸宏觀斷口形貌如圖2所示，可觀察到連接軸斷口心部附近存在一個長直徑約為10 mm的橢圓形粗糙區域，其周圍存在明顯地向四周放射狀的撕裂紋，圖2中斷口下方有明顯的剪切唇形貌。由連接軸宏觀斷口形貌特征可推測，失效連接軸裂紋起源于連接軸內部該橢圓形區域，隨后裂紋向四周快速擴展，直至連接軸有效橫截面積減少至無法承受外界載荷作用即發生脆性斷裂，裂紋擴展方向如圖3所示[1]。

圖2 連接軸失效件斷口形貌

圖3 失效件斷口裂紋走向

1.2 微觀斷口形貌分析

結合掃描電子顯微鏡對失效連接軸微觀斷口形貌進行輔助分析，可觀察到斷口裂紋源區內存在晶界裂紋、微裂紋等形貌，而晶粒內部的裂紋擴展方向不同，斷面粗糙程度不均勻，如圖4所示。斷口裂紋擴展區為典型河流花樣形貌，具有解理斷裂形貌特征，并能觀察到明顯的撕裂紋[2]。

圖4 失效件微觀斷口形貌

1.3 化學成分分析

利用線切割機床對連接軸失效件進行切割，在斷口截面靠頭部一側1 mm處進行取樣，利用直讀光譜儀對失效件熱影響區化學成分進行分析，其檢測結果見表1。根據GBT3077-1999《合金結構鋼》的要求，連接軸宏觀斷口裂紋擴展區附近的各項成分基本符合40Cr成分的要求，而裂紋源區附近的多項化學成分與標準出現偏差，化學成分不均勻，特別是含碳量達到0.97%，遠高于0.37%～0.47%的正常值，存在嚴重的碳偏析缺陷。

表1 連接軸熱影響區化學成分檢測結果（w/%）

1.4 金相組織與顯微硬度分析

利用線切割在斷口裂紋源處附近沿連接軸頭徑向取樣進行研磨和拋光，用4%（質量分數）硝酸酒精腐蝕后，利用金相顯微鏡對斷口裂紋源表面及其附近組織進行金相組織觀察。圖5為連接軸斷口表面，距斷口表面不超過1 mm的內部在不同放大倍數下的顯微組織。

由于連接軸斷裂位置為頭部與桿部的摩擦焊連接位置，該區域為摩擦焊熱影響區，正常組織應為較均勻的珠光體或屈氏體組織。但從如圖5中可以，裂紋源附近顯微組織均為白亮部分組織與灰黑部分組織兩部分相間而成，白亮部分為高碳針狀馬氏體組織，由于含碳量較高難腐蝕，表現出白亮基體的特征，而灰暗部分組織較為復雜，為不均勻分布的板條馬氏體+屈氏體+殘余奧氏體的混合組織[3]。

利用維氏硬度計進行顯微硬度輔助分析，圖5中白亮部分顯微硬度在600 HV～650 HV之間，而灰暗部分的顯微硬度在400 HV～500 HV之間，即針狀馬氏體組織與周圍混合組織之間存在較大的硬度差，導致針狀馬氏體存在較高的組織應力，而觀察到連接軸內部的微裂紋均位于其白亮部分組織中，可判斷針狀馬氏體形成后，其組織應力釋放在連接軸內部形成多條裂紋。

圖5 連接軸失效件裂紋源附近金相顯微組織圖

通過掃描電子顯微鏡對連接軸斷口組織進行進一步的觀察，能夠更加清晰觀察斷口表面附近針狀馬氏體中的裂紋形貌。如圖6（a）（b）中，裂紋沿針狀馬氏體基體的通道內進行擴展，同時可見針狀馬氏體中存在許多微小的孔洞和微裂紋，見圖6（c）（d）。進一步證明了連接軸斷面附近的微裂紋主要與針狀馬氏體的組織應力釋放有關[4]。

圖6 連接軸失效件裂紋源附近微觀組織形貌

1.5 頭部鑄造組織分析

利用線切割對連接軸失效件頭部進一步解剖，在斷口裂紋源靠頭部側5 cm處進行取樣，通過解剖可確定該位置已在摩擦焊熱影響區之外，其微觀組織為連接軸頭部的原始組織。通過對該截面試樣的研磨、拋光和腐蝕之后，肉眼可觀察到頭部晶粒粗大，并存在發達的樹枝晶結構，另外還能明顯觀察到一橢圓狀灰色區域，如圖7所示。利用金相顯微鏡對該灰色區域進行觀察，如圖8所示，從圖中可見該區域基體組織為片層狀的珠光體，同時觀察有大量的白亮顆粒物聚集，并形成通道狀的形貌，結合化學成分的檢測結果，可判斷該白亮顆粒物為滲碳體顆粒。而焊接熱影響區內局部存在較高的碳化物聚集，將降低基體的斷裂韌性[5]。

圖7 連接軸內部樹枝晶形貌

圖8 頭部內部滲碳體聚集形貌

2 分析與討論

從上述分析可知，連接軸頭部內存在明顯的鑄造碳偏析缺陷，局部含碳量達到0.97%，樹枝晶發達，不符合本單位對頭部的化學成分和微觀組織的要求。碳偏析缺陷使得連接軸內部片層狀珠光體基體上產生大量的滲碳體顆粒物，并發生聚集形成通道狀組織形貌。隨后在頭部與桿部進行摩擦焊工藝進行連接后，連接軸摩擦焊區域被加熱至奧氏體化溫度以上再冷卻，此時，由于碳偏析區域含碳量過高，該區域在冷卻過程中形成了大量的針狀馬氏體，并表現出通道狀的形貌特征，與周圍不規則分布的板條馬氏體+屈氏體+殘余奧氏體混合組織形成較大的硬度梯度。而摩擦焊工藝中快熱快冷使連接軸的部分碳偏析區域產生的針狀馬氏體具有較大的組織應力，隨著其組織應力的逐漸釋放，針狀馬氏體組織中產生許多微裂紋。在外加載荷的作用下，形成宏觀斷口裂紋源，并逐步擴展直至斷裂。

3 結論

通過斷口宏觀形貌、微觀形貌、化學成分、金相組織和硬度檢測等分析手段，對失效連接軸進行綜合失效研究，得出結論如下：

（1）本次連接軸斷裂屬于脆性斷裂失效，與連接軸內部存在的早期裂紋有關，裂紋起源于連接軸摩擦焊內部缺陷組織。

（2）連接軸頭部存在嚴重的碳偏析區域，由于碳偏析區域含碳量過高，在摩擦焊后快速冷卻過程中，極易形成高應力針狀馬氏體，而針狀馬氏體的組織應力釋放導致連接軸內部產生早期裂紋，是導致本次連接軸失效的主要原因。

（3）連接軸鑄造頭部化學成分控制不合格，連接軸局部化學成分差異較大，且內部晶粒粗大，也同樣加速了連接軸的早期失效。