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非金屬夾雜物超標(biāo)導(dǎo)致軸斷裂失效分析

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2021-09-06 15:40

20CrNiMo鋼屬于低碳合金,常用于制造中小型汽車、拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪。擺線液壓馬達(dá)聯(lián)動(dòng)軸,在馬達(dá)壽命試驗(yàn)時(shí)發(fā)生斷裂。該型聯(lián)動(dòng)軸在進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí),承受扭矩為600N·m,轉(zhuǎn)速180r/min,壽命要求>60h,此次壽命試驗(yàn)共測(cè)試3次,均在6~8h出現(xiàn)了斷裂,為此與以往的齒面疲勞磨損導(dǎo)致的失效形成進(jìn)行了對(duì)比?,F(xiàn)對(duì)其中1根斷裂的聯(lián)動(dòng)軸進(jìn)行原因分析。該零件由20CrNiMo鋼棒料加工制造,其生產(chǎn)工藝流程為:下料→車削→滾齒→熱處理→拋丸→清洗→成檢。

 

一、檢驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

 

(1)宏觀檢測(cè)

 

聯(lián)動(dòng)軸斷裂宏觀形貌如圖1所示,聯(lián)動(dòng)軸在反復(fù)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下,軸心部有少量的塑性變形,扭轉(zhuǎn)斷口與軸向呈45°角,斷口部分呈鋸齒狀,結(jié)合失效時(shí)間,初步判定為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。

 

非金屬夾雜物超標(biāo)導(dǎo)致軸斷裂

 

圖1  聯(lián)動(dòng)軸斷裂宏觀形貌

 

(2)化學(xué)成分分析

 

對(duì)該聯(lián)動(dòng)軸化學(xué)成分進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表1?;瘜W(xué)成分符合要求。

 

表1  化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))檢測(cè)結(jié)果   (%)

 

項(xiàng)目

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

Cu

零件

0.19

0.20

0.85

0.015

0.018

0.54

0.46

0.22

0.04

標(biāo)準(zhǔn)

0.17~0.23

0.17~0.37

0.60~0.95

≤0.030

≤0.030

0.40~0.70

0.35~0.75

0.20~0.30

≤0.30

 

(3)硬度檢測(cè)

 

該零件技術(shù)要求:表面硬度57~62HRC,心部硬度30~45HRC,有效硬化層深度為0.6~0.9mm。該聯(lián)動(dòng)軸表面硬度59~60HRC,心部硬度35~37HRC,有效硬化層深度為0.79mm,符合技術(shù)要求。

 

(4)金相檢驗(yàn)

 

該零件熱處理金相組織要求:表層回火馬氏體≤5級(jí),殘留奧氏體≤5級(jí),碳化物≤3級(jí)。如圖2所示,該聯(lián)動(dòng)軸表層回火馬氏體為5級(jí),殘留奧氏體為5級(jí),碳化物為1級(jí),符合技術(shù)要求。對(duì)斷口處進(jìn)行非金屬夾雜物的檢測(cè)(見(jiàn)圖3)測(cè)試結(jié)果:A1.0,B3.0,C0.5,D3.0,DS0.5,發(fā)現(xiàn)斷口附近有大量B類、D類非金屬夾雜物。

 

非金屬夾雜物超標(biāo)導(dǎo)致軸斷裂

 

圖2  金相組織

 

非金屬夾雜物超標(biāo)導(dǎo)致軸斷裂

非金屬夾雜物超標(biāo)導(dǎo)致軸斷裂

 

圖3  非金屬夾雜物的檢測(cè)

 

二、分析與討論

 

綜上檢驗(yàn)結(jié)果分析,該20CrNiMo鋼聯(lián)動(dòng)軸的化學(xué)成分、硬度、熱處理金相組織均符合技術(shù)要求,非金屬夾雜物級(jí)別過(guò)高。其中,回火馬氏體及殘留奧氏體級(jí)別偏上限。研究表明,一定含量的殘留奧氏體反而能松弛鋼中的應(yīng)力、沖擊吸收能量,緩沖相變馬氏體的沖擊力,減少顯微裂紋,增強(qiáng)抗疲勞性能。

 

另外,鋼中非金屬夾雜物對(duì)疲勞性能的影響一方面取決于夾雜物的類型、數(shù)量、尺寸、形狀和分布;另一方面受鋼基體組織和性質(zhì)制約,與基體結(jié)合力弱的尺寸大的脆性?shī)A雜物和球狀不變形夾雜物的危害最大。該聯(lián)動(dòng)軸斷口表層附近,發(fā)現(xiàn)大量的B類、D類非金屬夾雜物,本質(zhì)上是脆性?shī)A雜物。由于脆性?shī)A雜物不能傳遞鋼基體中的應(yīng)力,從而誘發(fā)疲勞裂紋,且脆性?shī)A雜物在應(yīng)力作用下會(huì)因碎裂而產(chǎn)生開(kāi)裂,更易產(chǎn)生疲勞裂紋。聯(lián)動(dòng)軸在反復(fù)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下,在這些脆性?shī)A雜物附近產(chǎn)生多個(gè)疲勞源及微裂紋,裂紋沿與軸線呈45°的兩個(gè)方向發(fā)展,最終形成部分鋸齒狀斷面,導(dǎo)致聯(lián)動(dòng)軸在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生異常疲勞斷裂。

 

三、結(jié)論和建議

 

該型20CrNiMo鋼聯(lián)動(dòng)軸壽命試驗(yàn)發(fā)生早期斷裂的原因,是由于鋼中B類及D類脆性非金屬夾雜物級(jí)別過(guò)高導(dǎo)致的。因此,在以后的生產(chǎn)過(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)原材料非金屬夾雜物的檢測(cè),嚴(yán)格執(zhí)行驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)表2。通過(guò)上述措施,可解決聯(lián)動(dòng)軸在壽命測(cè)試時(shí)發(fā)生異常斷裂的問(wèn)題。

 

表2  非金屬夾雜物驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)  (級(jí))

 

非金屬夾雜物超標(biāo)導(dǎo)致軸斷裂

 

參考文獻(xiàn):略。

 

作者:闞亞威

單位:鎮(zhèn)江液壓股份有限公司

來(lái)源:《金屬加工(熱加工)》雜志

 

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來(lái)源:20CrNiMo鋼屬于低碳合金鋼,

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