第6卷第4期 精密成形工程 2014年O7月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 40Cr重载车轴断裂失效分析 秦会常 ,胡亚民 ,孟祥岩 ,赵兴俭 ,苗建房 ,夏兴梅 ,郭延萍 (1.中国兵器工业山东特种工业集团有限公司,淄博255201; 2.重庆市锻压协会,重庆400039;3.山东良成环保工程有限公司,淄博255071) 摘要:目的研究车轴在热校直过程中的断裂原因和机制。方法 通过对该车轴进行化学分析、 金相检测、力学性能检测,对车轴断裂的性质和产生原因进行了分析和讨论。结果 准确得出了 车轴断裂的性质和产生原因。结论 车轴制造工艺不合理,导致车轴轴头产生了严重的过热组 织,这是车轴断裂的主要原因;原材料中较多的非金属夹杂物等材质缺陷,造成了材料的综合力学 性能降低.尤其是材料的屈服强度降低,是车轴断裂产生的重要原因。建议改进车轴的制造工艺. 过热严重的车轴应报废处理 关键词:车轴断裂;轧制工艺;过热;非金属夹杂物;40Cr钢 DOI:10.3969/j.issn.1674—6457.2014.04.012 中图分类号:TG115 文献标识码:A 文章编号:1674—6457(2014)04—0063—06 Fracture Failure Analysis of 40 Cr Heavy Automobile Axle QIN Hui—chang ,HU Ya—rain ,MENG Xiang—yan。,ZHAO Xing-jian , MIAO Jian-fang ,XIA Xing—mei ,GUO Yan-ping (1.CNGC Shandong Machinery Group Co.,LTD.,Zibo 255201,China; 2.Chongqing Association of Forging,Chongqing 400039,China; 3.Shandong Liangcheng Good into Environmental Protection Engineering Co.,LTD.,Zibo 25507 1,China) ABSTRACT:Objective To ifnd out the causes for crack fault of 40Cr heavy automobile axle.Methods The cracking rea— son of 40Cr steel was analyzed by means of chemical composition analysis,fracture analysis and microstructure examina— tion.Results The property and cause for the cracking were found with accuracy.Conclusion The results showed that the fracture of 40Cr steel was mainly due to wrong rolling technology,which led to serious overheating parts in the head of the axle.The inclusion of la唱e amounts of non—metallic impurities in the material decreased the comprehensive mechanical property of the material,especially the reduced tensile strength,which was an important cause for the crack of the axle.It is suggested to improve the manufacturing technology of axle and the axles with serious overheating should be discarded. KEY WORDS:fracture of axle;rolling technology;overheating;non—metallic inclusion;40Cr steel 某型重载车轴原材料为40Cr低合金结构钢,原 材料的供应状态为热轧状态,车轴的生产工艺为:工 收稿日期:2014—03—10:修订日期:2014—05—16 频加热一初轧一工频加热一终轧一轧后空冷一调质 热处理一热校直一机加工,工频加热炉的形状均为 作者简介:秦会常(1972一),男,山东秦安人,高级工程师,主要研究方向为金属材料检测及热处理技术。 第6卷第4期 秦会常等:40Cr重载车轴断裂失效分析 温,导致材料产生了严重的过热组织:4)原材料存 在较多的低熔点夹杂;5)热校直时应力过大:6)淬 火工艺不合理,淬火应力较大。 首先.校直设备刚经过检测,所以热校直时所施 加力过大导致车轴断裂的可能性不大。若由于淬火 T艺不合理、淬火应力较大所致,则拉伸试棒的断口 应为穿晶断口,而实际拉伸试棒断口形貌为沿晶扩 展,这与实际断面形貌不符,所以可以基本排除是淬 火工艺不合理导致的车轴脆断。原材料存在轻微过 热组织.这种轻微过热组织在随后的调质热处理时 能够得到改善和消除,因此也排除了原材料组织导 致车轴脆断的可能性。材料严重过热,必然导致晶 粒粗大;而晶粒粗大,会造成金属晶粒间的结合能力 大为减弱、晶界的结合功显著降低、脆性急剧增强, 轻微的变形就可导致沿晶断裂,甚至破碎,难以产生 有效的屈服和延伸:轴头的断口为石状断口,轴头附 近拉伸试棒断口的表面也具有石状断口的特征,这 说明轴头的断口表面特征和拉伸试棒的拉伸断口表 面特征均与严重过热组织的断口特征相符合。从对 轴头的金相显微组织检测可知:该轴头断口附近的 组织为粗大的板条状索氏体和部分贝氏体、托氏体, 晶粒粗大.魏氏组织级别严重.晶粒的晶界出现了明 显的宽化,呈现严重的过热组织特征:具有此类组织 特征的工件脆性大、强度低、塑性韧性极差,易于在 外力作用下断裂.因此车轴的断裂是由于材料严重 的过热所导致的 对40Cr结构钢而言,产生这种严 重过热组织的环境温度应在1260 以上.即使淬火 热处理时采用气氛炉允许的上限温度加热,车轴也 不可能出现如此严重的过热组织:车轴中部的基体 组织为均匀细致的回火索氏体,属正常的调质热处 理组织:若是因为淬火过程中存在一定程度的超温 导致晶界弱化,则工件的中部也应为严重的过热组 织,这与检测结果不符,淬火热处理时出现超温的可 能性不存在。车轴脆断的原因只能是:工频加热时 存在工艺不完善或失控。工件局部出现了短暂超温 等现象,导致材料产生了严重的过热。 初轧后车轴的基体组织属正常的热轧组织;终 轧后车轴的基体组织为粗针状铁素体+珠光体,晶 粒度大于1级.魏氏组织级别约为4级,属严重的过 热组织,这说明车轴严重的过热组织主要与终轧前 的工频加热有关,很显然,这是由于轧制前坯料的加 热温度过高或在高温区停留时间太长的缘故。魏氏 组织如此严重,仅靠随后调质热处理是无法消除的. 即使采用完全退火或正火处理,亦难于消除魏氏组 织的痕迹,虽然晶界尚未发生熔化,但已接近过烧, 这种过热状态要用热处理的方法来消除是很困难 的。经过终轧后,部分晶界发生了断裂和迁移,轧制 冷却时,轴头的晶粒发生了重结晶和相变,形成了过 热程度稍差的平衡组织,但粗而深的铁素体晶界仍 然在基体中存在。一旦重新奥氏体化时。这种粗大的 晶界则又重新出现,淬火冷却时,奥氏体组织会转变 为粗大的淬火马氏体,而粗大的铁素体晶界转变为 含有粗大铁素体的淬火托氏体组织.这种组织特征 与检测结果相符。由于这类组织显著弱化了晶粒之 间的连接强度,导致了材料的抗破断裂能力明显下 降。车轴发生脆性断裂的原因是终轧前工频加热时 车轴轴头局部出现了短暂超温(即过热)引起的。 钢材中的非金属夹杂物含量偏多,材质的洁净 度较差。大量的非金属夹杂物的存在.一是破坏了 钢金属基体的连续性,降低了钢材的综合力学性能; 二是在非金属夹杂物聚集处会形成锐角,导致较强 的应力集中,形成微裂纹源,在外界应力作用下易萌 生裂纹 一 4.4轴头严重过热的原因 正常条件下,40Cr结构钢的热轧是一种在高温 下进行的热塑性变形过程,由于热轧温度远高于 Ac3,此时 铁已全部转变为 铁,动态再结晶就成 为 铁热轧软化的主要机制。由于热轧是在高流 变切应力条件下的热变形过程,根据tr。cd ,瑚 ( 为流变切应力;d为再结晶后晶粒的尺寸;n(动态) 为一常数).所以动态再结晶后的晶粒会得到明显 的细化。虽然热轧后结构钢也会进行静态再结晶, 促使材料的晶粒长大,但由于热轧后的工件是直接 置于与外界相通的环境下冷却,从高温冷却到再结 晶温度的时问极短暂,所以静态再结晶的时间较短, 晶粒在如此短的时间内难于长大、粗化;而且热轧结 束后的静态再结晶晶粒大小还取决于热轧变形过程 中的流变应力. OCd ‘静 ,所以热轧后工件的晶粒 应比原材料的晶粒细小得多_l 。另外,工频加热是 金属通过外加交变磁场产生的感生电流一涡流来加 热的.一方面,T频加热在一定程度上会加剧高温金 属的成分起伏、结构起伏和能量起伏,导致溶质原子 的能量变化或溶质原子团及母体原子团的能量、结 精密成形工程 2014年07月 构、数量和尺寸的变化,使得溶质原子和母体原子周 围的电子云密度发生改变:尤其是工频加热产生的 感生电流场的电子曳力能够提高原子的活性,促进 原子的扩散.使一些溶质和母体原子团能裂解成更 加细小原子团,促使金属再结晶形核核心增多,因而 也具有细化金属再结晶晶粒的作用。所以,正常条 件下,车轴热轧后的晶粒应是较为细小均匀的,车轴 的基体组织之所以出现严重过热组织.其原因是终 轧前的工频加热过程中出现了温度失控。工频加热 出现的温度失控,与车轴的制造工艺不当有关。由于 初轧、终轧前的工频加热采用的工频炉炉腔均为圆 柱状,钢管经过初轧后,在头尾部与钢管连接处产生 了尺角,形成了轴头形状;在终轧前的工频加热时, 由于采用的仍然是圆柱状工频炉炉腔,这使得轴头 位置不同的截面与工频炉的炉腔无法做到同心近 距,而工频加热是一种快速加热。由于集肤效应,距 离工频炉腔内表面越近,被加热金属坯料的表层温度 上升越快,反之,则被加热金属坯料的表层温度上升 越慢。当金属坯料最大截面的表层到达工艺要求温 度上限时,金属坯料最小截面的表层温度尚未达到工 艺要求的温度,此时若加热持续的时间稍微延长,金 属最大截面的表面温度就会就会升高,导致品粒粗大 而致过热,如加热时间延长或加热温度再升高,接近 其临界熔化温度,产生了过烧组织,产品就会报废。 5 结论 综上所述:车轴断裂属脆性断裂。车轴断裂系 由严重过热导致的,车轴的严重过热与工艺不完善 有关。主要是终轧前工频加热时。由于工频炉圆柱 形炉腔与轴头未能做到同心近距,导致轴头尺角附 近出现了超温现象,使得该车轴产生了严重的过热组 织。材质洁净度差也是导致车轴断裂的原因之一 应对措施主要是改进车轴制造工艺。采用圆柱 形工频炉加热时,可将原工艺改为:工频加热一初轧 成形一轧后空冷一调质热处理一热校直一机加工: 若仍采用原工艺过程,则终轧前工频加热炉的炉腔 形状应与轴头形状类似。另外,过热严重的车轴应 报废 参考文献: [1] 张栋,钟培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:国防 工业出版社.2004. 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