貨車減振器銷軸早期斷裂原因分析

摘要：貨車減振器銷軸在研發階段路試試驗，出現早期斷裂失效，通過對銷軸材料的理化、力學性能測試及斷口宏觀、微觀形貌觀察，分析了減振器銷軸斷裂主要原因。結果表明：斷裂形式為雙向彎曲疲勞斷裂，斷口呈現低應力高軸疲勞特征，銷軸材料為45鋼，基體硬度未達到設計要求，心部金相組織為珠光體+鐵素體，非回火索氏體，說明材料調質處理過程中心部并未淬透，致使銷軸基體硬度偏低，疲勞強度下降，加之焊接時焊渣濺落銷軸表面，導致表面二次加熱組織轉變硬度降低，形成軟點，疲勞源在此形成。后結合45鋼與40Cr淬透性及焊接性的對比，確定銷軸選材不合適，銷軸材料更換為40Cr后，未出現斷裂故障。

關鍵詞：雙向彎曲疲勞；45鋼；淬透性；40Cr；疲勞強度；二次加熱

某純電廂式貨車試驗階段，在石塊路況進行車輛強化路循環試驗時，左后減振器上固定點發生撕裂，拆解發現減振器上端固定銷軸發生斷裂，導致固定點撕裂，車輛累計行駛里程4480km。此車減振器銷軸為新開發零部件，研發人員急需確認銷軸斷裂模式及銷軸質量狀況。

斷裂件檢測及失效原因分析

1.設計技術要求

減振銷軸材料為45鋼，調質處理，硬度32～39HRC，表面無涂層及特殊處理，綜合性能及顯微組織符合國標要求。另外，銷軸裝配時與材質為10鋼的其他部件焊接。

2.宏觀斷口

圖1a所示為斷裂銷軸一部分，圖1b所示為斷口宏觀形貌，圖1c所示為完整銷軸示意圖，斷裂位置在φ20mm桿部上靠近焊接部位。斷口上分兩個區域，A區平坦光滑占整個斷口的絕大部分，有一處明顯的臺階；B區臺階較多，表面存在較多應力集中點。兩個區域內均可以清晰看到貝紋線，疲勞源位于表面，開裂始于A區，后B區疲勞開裂。

3.微觀斷口

圖2所示分別為A區疲勞源形貌、疲勞源高倍形貌、A區擴展區形貌及B區擴展區形貌，疲勞源未見材料缺陷，A、B區擴展區微觀形貌均可見疲勞輝紋。結合宏觀形貌分析，A區表面先開裂向內部擴展，隨著開裂面積增大，銷軸承受外力的面積減小，導致B區外圓表面承受應力增大，B區表面開始開裂，最后兩側裂紋匯合銷軸完全斷裂。

4.材料化學成分分析

在銷軸無螺紋桿部取樣，采用直讀光譜儀進行化學成分分析，材料為45鋼，符合設計材料規定（見表1）。

5.硬度測試

在銷軸三處部位取樣，如圖1c位置1、位置2、位置3處分別為M12mm×1.25mm螺紋處端面、φ12mm光桿處橫截面及φ20mm光桿處橫截面，用洛氏硬度計在圓柱形試樣橫截面的1/4直徑位置測試洛氏硬度 ，結果見表2。設計硬度要求32～39HRC，螺紋處端面硬度符合，其余部位硬度均低于設計要求。

6.金相分析

金相組織檢測位置與洛氏硬度檢測位置相同，圖3a所示為螺紋端面（位置1）橫截面金相組織，圖3b為φ12mm光桿處（位置2）橫截面金相組織，圖3c為φ20mm斷裂處縱截面金相組織，圖3d為斷口A區疲勞源處縱截面金相組織。螺紋端面金相組織從表面到芯部均為回火索氏體，是調質處理正常組織。φ12mm光桿處靠近表面金相組織為為回火索氏體+鐵素體，芯部金相組織為珠光體+鐵素體+回火索氏體，為調質不良組織。A區斷裂源處存在約0.2mm深度二次加熱區，二次加熱區組織從表及里為珠光體+鐵素體" "鐵素體+回火索氏體。A區其它部位距表面2mm 范圍內為回火索氏體+少量鐵素體，距表面大于2mm的金相組織為珠光體+鐵素體。說明整個銷軸在調質熱處理過程中均未完全淬透，且直徑越大淬透深度越小。

7.總結及結論

1）減振銷軸斷裂類型為低應力高周雙向彎曲疲勞斷裂，受力狀態符合正常服役受力狀態。疲勞源位于銷軸表面焊渣濺落處，焊渣溫度較高，濺落銷軸表面造成表面局部區域二次加熱，局部組織再次奧氏體化，自然冷卻形成珠光體+鐵素體組織，而非原來的回火索氏體組織，致使此區域硬度降低，形成表面軟墊，疲勞源在此形成。

2）減振銷軸材料符合設計要求，而斷裂部位心部硬度遠低于設計要求。斷裂部位橫截面從表面往芯部金相組織依次是：回火索氏體→珠光體+鐵素體+回火索氏體→珠光體+鐵素體，說明材料在調質處理過程中心部并未淬透，導致硬度低。根據ISO18265－2013標準，抗拉強度與硬度呈線性關系，硬度下降，材料強度隨之下降，珠光體與鐵素體組織相比回火索氏體組織粗大，組織越細疲勞強度越高，因此銷軸珠光體+鐵素體的組織形態導致銷軸疲勞強度下降。且已有研究表面，在一定范圍內材料的硬度、抗拉強度和疲勞強度幾乎呈線性關系，硬度低則疲勞強度下降。

結論：焊接時焊渣濺落點造成銷軸表面組織轉變硬度下降，形成局部軟點，疲勞開裂源在此形成；銷軸熱處理組織異常、基體硬度低導致疲勞強度降低，兩方面原因造成銷軸早期斷裂失效。

改進措施

疲勞起源于焊渣濺落處，因此焊接過程對銷軸表面做防護措施，避免焊渣濺落到銷軸表面造成表面軟點。另一方面，45鋼是中碳結構鋼，冷熱加工性能都不錯，機械性能較好，但它的最大弱點是淬透性低，貨車減振銷軸斷裂處直徑達20mm，使用45鋼，做調質處理，零件硬度無法達到設計要求。

對比40Cr與45鋼淬透性（見表3），直徑20mm的零件，用40Cr做調質處理，其硬度、金相完全可以滿足設計要求。因銷軸需要與其他零件做焊接處理，需考慮材料焊接性能，材料碳當量越高，焊接開裂風險越大，40Cr與45鋼碳當量接近，更換材料對焊接質量幾乎無影響。設計更換材料至今（近一年時間），未發生銷軸斷裂故障。

參考文獻：

[1] 蔣小松，楊川，高國慶，等.金屬材料零部件失效分析基礎與應用[M].成都：西南交通大學出版社，2021.

[2] 樊東黎，徐躍明，佟曉輝.熱處理工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3] 聶德福.40鋼和40Cr鋼壓縮機曲軸表面感應淬火后的梯度組織與性能[J].金屬熱處理，" 2023，48（12）：222-229

[4] 沈明，李少雨，錢航，等.淬火介質濃度對45鋼淬硬層深度及組織性能的影響[J].大型鍛鑄件，2022（2）：41-43，50.