十字銷是機車內燃機上萬向軸的重要組成部件，十字銷斷裂會給鐵路行車帶來一定的安全隱患。某機車十字銷發(fā)生斷裂。十字銷材料為優(yōu)質20CrMnTi合金鋼，熱處理工藝為滲碳淬火處理。研究人員采用一系列理化檢驗方法分析其斷裂原因，以防止該類問題再次發(fā)生。
1、 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對斷裂的十字銷進行超聲波清洗，清洗后的斷口宏觀形貌如圖1所示。經肉眼觀察，十字銷斷面有兩處主裂紋源、兩處次裂紋源(見圖1中a區(qū))，且斷面上分布有疲勞條帶。十字銷的倒角處有多條寬度不一致的裂紋，裂紋從倒角平臺向倒角圓弧過渡區(qū)延伸(見圖2)。據此初步判斷：十字銷在使用過程中受彎曲交變應力作用。在彎曲交變應力的作用下，兩條主裂紋從兩邊向中間擴展(見圖1中b區(qū))。進一步觀察可發(fā)現(xiàn)圖1上部的主裂紋源區(qū)較為清晰，上部的主裂紋擴展速率較下部的主裂紋擴展速率快；兩條次裂紋則因受力較小,沒有留下清晰的裂紋擴展路徑，圖1中c區(qū)為瞬斷區(qū)。依據裂紋擴展路徑初步判斷，該十字銷的斷裂源出現(xiàn)在倒角部位，斷裂方式為多源疲勞斷裂。
1.2 化學成分分析
采用直讀光譜儀對十字銷試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：其化學成分滿足GB/T 3077—2015《合金結構鋼》的要求。
1.3 金相檢驗
在斷裂部位取金相試樣，將其置于光學顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)十字銷倒角區(qū)域有一處深度約為1.05mm的鋸齒狀裂紋，且試樣表面有較多大尺寸、長條狀的MnS夾雜(見圖3~4)。用體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后觀察其顯微組織，可知表面滲碳層的深度約為1.46mm。試樣表層組織由淺入深依次為:回火馬氏體+少量屈氏體(深度為0.45mm)(見圖5)、淬火馬氏體+少量屈氏體(深度為0.55 mm)(見圖6)、貝氏體+馬氏體(深度為0.55mm)(見圖7)?；w組織為馬氏體+貝氏體+鐵素體(見圖8)。
1.4 硬度測試
對十字銷試樣的橫截面進行硬度測試，結果顯示非滲碳層的洛氏硬度較為均勻，其值為28.1~31.2HRC。對試樣進行熱酸酸洗后發(fā)現(xiàn)，其橫截面無明顯的缺陷，基體組織較為均勻。
對金相試樣進行硬度測試，結果如圖9所示。由圖9可知：試樣由淺入深的硬度呈先增大后減小的趨勢，在距表面0.55mm處達到最大值，為729HV，然后硬度逐漸降低并趨于穩(wěn)定。硬度的變化與表層顯微組織的變化相對應，表層出現(xiàn)的不良淬火馬氏體組織可能是由回火不充分導致的。
1.5 掃描電鏡(SEM)分析
十字銷斷口裂紋源區(qū)的SEM 形貌如圖10所示。由圖10可知：在裂紋源區(qū),有較多高低不平的疲勞條帶小平面或小坑，小平面較光滑。隨著疲勞裂紋的擴展，條帶間距變小，條帶及小坑高低不平程度加劇(見圖11)。圖12為十字銷瞬斷區(qū)SEM形貌，斷口呈準解理斷口形貌特征，十字銷快速整體斷裂。
2、 綜合分析
由斷裂十字銷的宏觀形貌可知，十字銷發(fā)生多源疲勞斷裂。十字銷在使用過程中主要受彎曲交變應力的作用。在交變應力的作用下，倒角部位承受的載荷最大，材料在硫化物與基體間的界面處開裂，形成微裂紋源。十字銷表層滲碳層中淬火馬氏體組織具有較大的強度和硬度、較大的組織內應力及缺口敏感性等特點，不良組織可能是由淬火后回火不充分引起的。因此，十字銷斷裂的主要原因是其內部存在較多大尺寸的MnS夾雜和表層存在不良的淬火馬氏體組織。倒角部位產生的少量應變會使倒角附近的大尺寸MnS夾雜與鋼基體界面間形成孔洞，在應力作用下，表層硬脆的淬火馬氏體組織加快了微裂紋源的形成。在裂紋擴展階段，疲勞條帶的間距較小，條帶高低不平，這表明裂紋擴展速率較慢；當裂紋擴展到一定尺寸時，材料承載面積縮小且難以承受應力，導致裂紋快速擴展，最終造成十字銷整體斷裂。
3、 結論及建議
十字銷的斷裂形式為多源疲勞斷裂，其表層存在的淬火馬氏體組織和材料中較多的大尺寸、長條狀MnS夾雜為微裂紋源的形成創(chuàng)造了條件，在材料組織薄弱處形成裂紋。建議提高鋼水的潔凈度及改進熱處理工藝，以減少鋼中大尺寸夾雜物，避免出現(xiàn)不良顯微組織。
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