圖 1 銷軸斷裂現(xiàn)場
分享：隨車吊機(jī)銷軸斷裂原因
在隨車吊機(jī)作業(yè)過程中,某集裝箱吊裝落地就位后,機(jī)械臂與液壓桿連接處銷軸突然斷裂,機(jī)械臂脫離液壓桿,一端砸向集裝箱,造成集裝箱頂部塌陷。銷軸斷裂成兩截,斷裂位置大概位于銷軸的中間處（見圖1）,其中一截已脫落,另一截掛在機(jī)械臂上。作業(yè)時隨車吊機(jī)未出現(xiàn)超載、超范圍等違規(guī)操作。銷軸材料為42CrMoA鋼,斷裂銷軸直徑約為100 mm,長度約為280 mm,整根銷軸長度為553 mm。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該銷軸的斷裂原因,以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷裂銷軸宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：銷軸表面及斷口上可見大量的黑色油污,斷裂位置為銷軸中間部位。
圖 2 斷裂銷軸宏觀形貌
斷裂銷軸清洗后宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：銷軸表面锃亮,在近螺紋端處可見面積大小不一的黑色凹坑,在另一端近斷口處局部可見長短不一的環(huán)向條紋,條紋區(qū)域長度約為7 mm,環(huán)向?qū)挾燃s為60 mm,其他位置未見明顯類似的環(huán)向條紋；斷口表面較為平整,斷口外表層存在環(huán)繞一圈的平整臺階,臺階寬度大小不一,臺階區(qū)域為硬化層區(qū)域；斷口可見兩處面積大小不一的背擴(kuò)紋,呈雙源疲勞斷口形貌特征,疲勞源1位于背擴(kuò)紋區(qū)域面積較大的一側(cè),疲勞源2位于對面背擴(kuò)紋區(qū)域面積較小的一側(cè),疲勞源分別從銷軸兩側(cè)萌生并由外向內(nèi)擴(kuò)展,最終斷裂區(qū)位于偏向一側(cè)的銷軸內(nèi)部；兩側(cè)背擴(kuò)紋面積大小不一,表明銷軸兩側(cè)受到的應(yīng)力大小不一致,裂紋擴(kuò)展的時間也不一致[1]；疲勞擴(kuò)展區(qū)平整,最終斷裂區(qū)凹凸不平。
圖 3 斷裂銷軸清洗后宏觀形貌
將斷裂銷軸表面置于體視顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：近螺紋端處可見黑色凹坑,黑色凹坑的產(chǎn)生原因為表面鍍鉻層剝落；疲勞源2處銷軸表面周向區(qū)域有不規(guī)則的環(huán)形條紋,疲勞源1處未見不規(guī)則的環(huán)向條紋。
圖 4 斷裂銷軸表面體視顯微鏡下形貌
將銷軸斷口置于體視顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：疲勞源1附近硬化層起裂源位于銷軸表面邊緣處,起裂源區(qū)平整,裂紋分別向兩邊沿著圓周方向呈人字形擴(kuò)展,最終匯集于銷軸對側(cè)的硬化層處,裂紋終點可見高低不平的臺階。
圖 5 銷軸斷口體視顯微鏡下形貌
1.2 化學(xué)成分分析
在銷軸斷口附近截取試樣,對試樣進(jìn)行清洗、干燥、打磨處理,采用直讀光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對42CrMoA鋼的要求。
Table 1. 銷軸的化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu | |
| 實測值 | 0.44 | 0.26 | 0.62 | 0.026 | 0.006 | 1.02 | 0.17 | 0.01 | 0.02 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.38~0.45 | 0.17~0.37 | 0.50~0.80 | ≤0.020 | ≤0.020 | 0.90~1.20 | 0.15~0.25 | ≤0.30 | ≤0.30 |
采用X射線熒光光譜儀對銷軸外表面鍍層進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表2所示。由表2可知：表面鍍層主要含有Cr元素。
Table 2. 銷軸外表面鍍層化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||
|---|---|---|---|---|
| Cr | Ni | Mn | Cu | |
| 實測值 | 99.9 | 0.08 | 0.01 | 0.01 |
1.3 金相檢驗
分別在銷軸疲勞源1位置附近、疲勞源2位置附近及心部截取縱截面試樣,對試樣進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕處理,利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣。
疲勞源1位置附近顯微組織形貌如圖6所示。由圖6可知：試樣由表面向心部的組織依次為白亮層（鍍鉻層）、回火馬氏體（淬硬層組織）、回火索氏體+少量塊狀鐵素體（基體組織）[2]；白亮層厚度分布較為均勻,約為24 μm。
圖 6 疲勞源1位置附近顯微組織形貌
疲勞源2位置附近顯微組織形貌如圖7所示。由圖7可知：試樣由表面向心部的組織依次為白亮層（鍍鉻層）、回火馬氏體（淬硬層組織）、回火索氏體+少量塊狀鐵素體（基體組織）；白亮層厚度較為均勻,約為24 μm。
圖 7 疲勞源2位置附近顯微組織形貌
銷軸心部顯微組織形貌如圖8所示,可見試樣心部的組織為回火索氏體+少量塊狀鐵素體。
圖 8 銷軸心部顯微組織形貌
1.4 硬度測試
在銷軸橫截面外取樣,將試樣打磨、拋光后,對試樣進(jìn)行布氏硬度測試,結(jié)果如表3所示。
Table 3. 銷軸橫截面試樣布氏硬度測試結(jié)果
| 項目 | 測點1 | 測點2 | 測點3 | 測點4 | 測點5 | 平均值 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 布氏硬度 | 243.6 | 240.4 | 242.2 | 246.1 | 245.6 | 243.6 |
分別在疲勞源1和疲勞源2區(qū)域附近截取試樣,將試樣打磨、拋光后,對試樣進(jìn)行維氏硬度測試,結(jié)果如表4,5所示。
Table 4. 疲勞源1區(qū)域維氏硬度測試結(jié)果
| 項目 | 測點與外表面距離/mm | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.10 | 0.40 | 0.70 | 1.00 | 1.30 | 1.60 | 1.70 | 1.80 | 1.90 | 2.00 | 2.10 | 2.20 | 2.30 | 2.40 | |
| 實測值1 | 622 | 616 | 590 | 609 | 603 | 402 | 291 | 304 | 304 | 282 | 275 | 285 | 282 | 280 |
| 實測值2 | 636 | 636 | 622 | 572 | 609 | 572 | 584 | 578 | 419 | 385 | 311 | 289 | 285 | 287 |
Table 5. 疲勞源2區(qū)域維氏硬度測試結(jié)果
| 項目 | 測點與外表面距離/mm | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.10 | 0.40 | 0.70 | 1.00 | 1.30 | 1.60 | 1.70 | 1.80 | 1.90 | 2.00 | 2.10 | 2.20 | 2.30 | 2.40 | |
| 實測值1 | 649 | 649 | 642 | 642 | 642 | 561 | 338 | 287 | 299 | 273 | 279 | 278 | 275 | 275 |
| 實測值2 | 649 | 642 | 646 | 645 | 648 | 642 | 603 | 597 | 566 | 532 | 402 | 333 | 280 | 277 |
1.5 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
在銷軸斷口處截取試樣,將試樣清洗、干燥后,將試樣置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：試樣淬硬層區(qū)起裂源位于銷軸外表面邊緣處,該區(qū)域斷面平整；起裂源區(qū)靠近斷口邊緣處受到明顯的擠壓、磨損等損傷；淬硬層區(qū)裂紋擴(kuò)展區(qū)可見裂紋呈人字形快速擴(kuò)展形貌特征,裂紋沿銷軸四周呈環(huán)狀擴(kuò)展；斷面可見韌窩形貌,局部可見沿晶開裂形貌[3]。
圖 9 銷軸斷口處SEM形貌
疲勞源1位于銷軸環(huán)形裂紋根部,該區(qū)域斷面平整,裂紋由邊緣向心部擴(kuò)展,靠近斷口邊緣處存在明顯的擠壓、磨損等損傷,疲勞源1表面可見非金屬附著物（見圖10）。對該附著物進(jìn)行能譜分析,可知附著物主要為含有Si、Fe元素的氧化物,還含有少量Al、Ca、Na等元素（見圖11）。
圖 10 疲勞源1處SEM形貌
圖 11 疲勞源1處表面附著物能譜分析結(jié)果
疲勞源2同樣位于銷軸環(huán)形裂紋根部,該區(qū)域斷面平整,裂紋由邊緣向心部擴(kuò)展,靠近斷口邊緣存在明顯的擠壓、磨損等損傷（見圖12）。裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌以韌窩形貌為主,裂紋快速擴(kuò)展區(qū)以解理形貌為主,斷面上可見大量平行的圓弧貝擴(kuò)紋,呈低周疲勞斷口形貌特征[見圖13a）,13b）]。最后瞬斷區(qū)為扇形解理形貌,呈快速撕裂形貌特征[見圖13c）,13d）]。
圖 12 疲勞源2處SEM形貌
圖 13 裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后瞬斷區(qū)SEM形貌
對銷軸斷口附近表面進(jìn)行掃描電鏡分析,結(jié)果如圖14所示。由圖14可知：斷口附近表面可見平行的條狀凹坑,為表面鍍鉻層剝落所致；條狀凹坑底部較為平整,鍍鉻層脫落后呈片層狀形貌特征,斷面上局部伴生二次裂紋；其他區(qū)域表面鍍鉻層完好,未見明顯脫落及凹坑,局部可見結(jié)疤狀鍍層附在表面；相鄰的鍍鉻層間可見明顯的帶狀溝槽,表面局部可見點狀凹坑。
圖 14 銷軸斷口附近表面SEM形貌
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結(jié)果可知：銷軸母材的化學(xué)成分分析結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求,銷軸表面主要成分為Cr元素；銷軸心部的布氏硬度為243.6 HBW,符合銷軸的加工工藝要求。
銷軸表面淬硬層與心部硬度存在較大差異,心部硬度較為均勻。銷軸硬度分布情況與其加工工藝及顯微組織分布吻合。疲勞源1與疲勞源2處淬硬層硬度存在一定差異,不同位置淬硬層硬度分布不均,厚度分布也不均,淬硬層深度為1.80~2.30 mm。銷軸不同位置的淬硬層硬度及厚度分布不均導(dǎo)致銷軸表面的內(nèi)應(yīng)力分布不均[4]。淬硬層脆性較大,裂紋易向心部擴(kuò)展,最終導(dǎo)致銷軸斷裂[5]。
淬硬層起裂源位于銷軸外表面邊緣處,裂紋快速向兩側(cè)擴(kuò)展,最后發(fā)生環(huán)向一周開裂現(xiàn)象。斷口上可見兩處面積大小不一的背擴(kuò)紋,呈雙源疲勞斷口形貌特征,疲勞源分別從兩側(cè)次表面邊緣處萌生,并由外部向內(nèi)部擴(kuò)展,最終斷裂區(qū)位于偏向一側(cè)的銷軸內(nèi)部。
銷軸外表面硬化層（鍍鉻層+淬硬層）為最先開裂位置,起裂源位于銷軸外表面邊緣處,裂紋呈人字形快速擴(kuò)展形貌特征,裂紋沿著銷軸四周呈環(huán)狀擴(kuò)展,發(fā)生一次性周向開裂現(xiàn)象。兩處疲勞源區(qū)均位于銷軸次表面邊緣處,裂紋由邊緣向心部擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展區(qū)以韌窩形貌為主,裂紋快速擴(kuò)展區(qū)以解理形貌為主,斷面上可見大量平行的圓弧貝擴(kuò)紋,呈低周疲勞斷口形貌特征[6]。最后瞬斷區(qū)為扇形解理形貌,為快速撕裂形貌特征?？拷鼣嗫谶吘壧幋嬖诿黠@的擠壓、磨損等損傷,符合疲勞斷口形貌特征。。
在工作過程中,銷軸主要承受循環(huán)彎曲載荷,最大彎曲應(yīng)力應(yīng)在銷軸中間位置一側(cè)的表面上。銷軸表面鍍鉻層和淬硬層均具有較高的強度和硬度,但韌性較差。鍍鉻層間的帶狀溝槽、剝落后形成的凹坑及剝落過程中產(chǎn)生的伴生二次裂紋均會在銷軸外表面形成應(yīng)力集中區(qū),裂紋在銷軸外表面應(yīng)力集中處萌生,沿淬硬層周向向兩邊快速擴(kuò)展。周向裂紋在交變載荷作用下,沿作用力方向擴(kuò)展,形成雙源疲勞開裂。當(dāng)銷軸剩余有效強度不足時,銷軸發(fā)生一次性快速斷裂。
3. 結(jié)論
銷軸斷裂原因為：在運行過程中,銷軸外表面應(yīng)力集中處萌生裂紋,裂紋沿淬硬層周向向兩邊快速擴(kuò)展,并匯合導(dǎo)致表面一周開裂；在交變載荷作用下,周向裂紋沿作用力方向擴(kuò)展,形成雙源疲勞開裂；當(dāng)銷軸剩余有效強度不足時,銷軸發(fā)生一次性快速斷裂。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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