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花键轴断裂原因分析

作者:机械圈日期:2022-04-11浏览:310分类:金属材料

1.状态说明

(1)该失效件曾送交某研究院检测,最终检测结果为调质处理淬火裂纹。对热处理工艺进行排查,从工件来料装筐、设备使用前检查、热处理工艺的制订及实施、热处理后试样的检测,结果没有发现任何问题。

(2)我们对送检的样件重新检测,客户提供的裂纹样块为20mm×20mm×40mm,未见到失效件本体、断裂部位和断裂形式,工件实际服役状况也没详细了解。据客户介绍,工件的材质为42CrMo低合金调质钢,零件的工艺路线为:下料→锻造→粗加工→调质。

(3)将样件分成两块,经镶嵌、磨制、抛光、浸蚀,目测就可以看到,断口为凹凸不平的断面,断口边缘有一层非常明显的较深的白亮层,推测可能是脱碳层(见图1、图2)。

2.化学成分

在样块上线切割截取15mm×15mm×10mm(长×宽×厚)的试样,进行化学成分检测,检测设备为Labspark5000精密直读火花光谱仪,检查结果表明化学成分符合材料标准要求。化学成分的检查结果见附表。

花键轴断裂原因分析

3.金相组织

(1)用1E-200M型金相显微镜进行金相组织观察,试样断口表面的白亮层,为细小等状铁素体。这种组织是较低奥氏体温度下,由原始锻造柱状晶组织重结晶细化形成的。该组织为锻造开裂后高温氧化脱碳,脱碳层组织经过奥氏体化重结晶的典型形貌特征(见图3)。

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(2)断口处的二次裂纹两侧,被以铁素体组织为主的脱碳层完全包围,裂纹内充满浅灰色的高温氧化产物,说明二次裂纹仍然是在锻造加工过程中形成的(见图4)。

(3)主裂纹断口表面堆积大量的高温形成的氧化物,表明锻造加工时加热温度高,裂纹边缘氧化脱碳现象严重,其中全脱碳层较深,半脱碳层较浅(见图5)。裂纹的次表层镶嵌有较多量的氧化物夹杂,这是由于锻造加工时,裂纹内表层高温氧化形成的氧化皮,在锻轧焊合过程中嵌入到次表层而形成(见图6)。

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(4)试样主裂纹断口处沿晶开裂,晶粒剥落坑极粗大,剥落坑的宽度显示出晶粒的直径。经测量晶粒的直径为0.40mm,对应晶粒度的级别达0级,属于严重的过热组织。锻造加热时局部区域加热温度过高,晶粒急剧长大,晶界宽化及晶间弱化,晶间结合力急剧降低。此时的锻造应力远大于晶间结合力,造成锻造热裂纹脆性开裂(见图7)。

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(5)断口表面全脱碳层的铁素体组织,呈细小等轴状分布。该组织属于锻造开裂氧化脱碳后的重结晶组织。锻造开裂后裂纹内高温氧化脱碳,断口表层形成粗大柱状晶组织,调质处理过程的再加热,使柱状晶组织重新奥氏体化形核,转变为细小等轴状组织(见图8)。

(6)试样的基体组织为细小马氏体位向的回火索氏体+少量颗粒状铁素体调质组织,调质组织级别评定为2级,国家标准要求1~4级,检验结果合格。调质组织的平均晶粒直径为0.02mm,对应的组织晶粒度级别为8级,调质工艺正常(见图9、图10)。

花键轴断裂原因分析

4.结论

(1)试样的失效断裂形式为锻造开裂。

(2)锻造开裂的原因是由于锻造加热时局部温度过高,造成锻造热裂纹。

5.分析与建议

针对该公司某研究院检测报告中的试验、分析和论述,提出一些建议供参考。

(1)试验报告对图1未表明断口形貌特征。由图片可以观察到宏观断口的形貌,左边为放射状断口,右边为石状断口。断裂源的部位应该由石状断口处开始,沿放射状断口扩展,最终开裂。这种断裂形式属于典型的脆性断口形貌特征。

(2)试验报告对图2的推测,裂纹是由于粗加工刀痕引起的。由图片观察,切削加工的刀痕不深,而且主裂纹走向与切削加工刀痕呈约30°夹角,二次裂纹走向与切削加工刀痕垂直,裂纹的扩展方向不符合调质淬火应力集中的特征。当然出现淬火开裂的裂纹两侧,是不会有脱碳层出现的。

(3)试验报告图3、图4是扫描电镜图片,对图片中的表述是冰糖状组织。冰糖状花样的微观特征形貌,只有在白点、氢脆、应力腐蚀断口中发生,而其他组织结构中一般不存在。该扫描电镜的图片放大倍率低,而且笔者看到的报告为纸质复印件,难以准确鉴别组织类别,同时也无法确定断口特征形貌是沿晶+准解理,还是沿晶+韧窝。

(4)报告对图3、图4的论述为:“该样件的断裂机制为沿晶解理脆性断裂”。该试样确实属于沿晶脆性断裂,但不是解理断裂。因为解理断裂是穿晶型的,且解理断裂的组织形态表现为淬火状态脆性断裂,或是在韧脆性转变温度以下瞬间冲击断裂。

(5)试验报告图5中,试样的基体组织为珠光体+铁素体。笔者在实际试样中未见到该组织特征。实际观察到的金相组织为马氏体位向的回火索氏体+少量的颗粒状铁素体,属于典型调质处理后的组织特征。可能由于取样的部位不同,实际观察的组织也就不一样。

(6)报告中对工件渗氮处理进行了微区成分检查。笔者因在试样断裂面上未见到渗氮处理的组织痕迹,故对试样的渗氮处理工艺及检测,未做任何表述。

来源:金林奎

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