趙立新，史 偉，李金梅，蒙 騫，陳維剛

(1.蘭州長(zhǎng)信機(jī)電制造有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州蘭石檢測(cè)技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

轉(zhuǎn)向軸的功用是將駕駛員作用于轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向力矩傳遞給轉(zhuǎn)向器，它的上部與轉(zhuǎn)向盤(pán)固定連接，下部與轉(zhuǎn)向器相連，以此來(lái)控制車(chē)輪前進(jìn)的方向，因此轉(zhuǎn)向軸性能的好壞對(duì)車(chē)輛的安全使用而言至關(guān)重要[1]。某公司采購(gòu)的農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向軸安裝擰緊過(guò)程中，轉(zhuǎn)向軸螺紋根部發(fā)生了脆性斷裂如圖1、2所示，造成了轉(zhuǎn)向軸的失效報(bào)廢。該轉(zhuǎn)向軸軸材質(zhì)為45#鋼，供貨標(biāo)注的熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)。筆者針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)其取樣進(jìn)行了化學(xué)分析、金相檢驗(yàn)、熱處理試驗(yàn)、夏比沖擊等相關(guān)內(nèi)容的檢驗(yàn)與分析，最終找出失效原因并得出能夠指導(dǎo)此類(lèi)軸熱處理過(guò)程的結(jié)論。

1 理化檢測(cè)

1.1 化學(xué)分析

在轉(zhuǎn)向軸開(kāi)裂斷口附近取樣，采用QSN750 型直讀光譜儀，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JIS G1253-2002 AMD.1-2013，項(xiàng)目基金來(lái)源：市級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2019-4-48)。

《鋼鐵-火花放電原子發(fā)射光譜分析法》對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析(如表1所列)，結(jié)果符合GB/T699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)45#鋼的要求。

圖1 斷裂的轉(zhuǎn)向軸 圖2 轉(zhuǎn)向軸斷裂斷口形貌

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 /%

1.2 金相檢驗(yàn)

1.2.1 宏觀檢驗(yàn)

轉(zhuǎn)向軸整體斷口平整，未有塑性表明的痕跡，整體呈現(xiàn)脆性斷裂的特征(如圖2所示)。在轉(zhuǎn)向軸斷口以下10 mm處取樣進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，試樣經(jīng)酸蝕后宏觀檢測(cè)，其中中心疏松級(jí)別為1.0級(jí)，未發(fā)現(xiàn)縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮和白點(diǎn)等缺陷等缺陷(如圖3所示)。

1.2.2 顯微分析

在斷口附近取樣，采用GX51型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析，發(fā)現(xiàn)顯微組織為索氏體+鐵素體，晶粒度未發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)大，未發(fā)現(xiàn)明顯的過(guò)熱、過(guò)燒、魏氏組織等異?，F(xiàn)象(如圖4所示)。試驗(yàn)室對(duì)轉(zhuǎn)向軸取樣按照GB/T699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，其中淬火溫度為860 ℃，回火溫度為600 ℃，顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體(如圖5所示)。

圖4 轉(zhuǎn)向軸顯微組織 圖5 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后試樣的顯微組織

1.2.3 沖擊韌性試驗(yàn)

在轉(zhuǎn)向軸上取樣兩組沖擊試樣，一組直接進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)，另一組按照GB/T699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

沖擊試驗(yàn)采用ZBC2602N-3型沖擊試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)(見(jiàn)表2)，沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)向軸上直接取樣后的試樣沖擊韌性較差，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室調(diào)質(zhì)處理后的試樣，沖擊韌性較好，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

表2 沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

2 分析與討論

通過(guò)化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向軸材質(zhì)的化學(xué)成分符合GB/T699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)45#鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，表明轉(zhuǎn)向軸斷裂不是由于材料的化學(xué)成分不符合標(biāo)準(zhǔn)要求而引起的。

宏觀斷口上來(lái)看，在其斷裂過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形，整個(gè)斷口表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂特征，宏觀檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)其中心疏松級(jí)級(jí)別為1.0級(jí)，中心疏松亦未達(dá)到足以引起開(kāi)裂的級(jí)別。未發(fā)現(xiàn)縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮和白點(diǎn)等缺陷等缺陷。

顯微組織檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向軸的顯微組織為索氏體+鐵素體，未發(fā)現(xiàn)明顯的過(guò)熱、過(guò)燒、魏氏組織等異?，F(xiàn)象，但是其顯微組織與工藝要求的調(diào)質(zhì)熱處理的結(jié)果不吻合，試驗(yàn)室取樣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，所得的顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體，與調(diào)質(zhì)熱處理的要求吻合。

沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向軸的沖擊功平均值僅為15.2J，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求值39J，尤其是試驗(yàn)溫度選擇在室溫，試驗(yàn)溫度與安裝時(shí)斷裂溫度相近，即表明轉(zhuǎn)向軸在室溫下受力極容易發(fā)生脆性開(kāi)裂。試驗(yàn)室取樣進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理后的試樣沖擊功平均值為72J，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》的要求，沖擊韌性明顯變好。

綜上所述，造成轉(zhuǎn)向軸斷裂的原因是由于其調(diào)質(zhì)熱處理過(guò)程中造成的，可能是其淬火時(shí)冷卻速度過(guò)慢或者是采用了正火處理[2]，最終形成索氏體+鐵素體的平衡組織，與該材料調(diào)質(zhì)熱處理應(yīng)該得到回火索氏體的顯微組織明顯不吻合，造成了其沖擊韌性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求[3-4]，在其安裝過(guò)程中，由于螺紋根部容易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向軸受擰緊力在螺紋根部發(fā)生脆性斷裂，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向軸斷裂失效[5-6]。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)該農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向軸斷裂失效問(wèn)題，進(jìn)行了化學(xué)分析、金相檢驗(yàn)、熱處理試驗(yàn)、夏比沖擊等相關(guān)內(nèi)容的檢驗(yàn)與分析。最終發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)向軸在其調(diào)質(zhì)熱處理環(huán)節(jié)中的淬火時(shí)冷卻速度過(guò)慢或是采用了正火處理，沒(méi)有得到回火索氏體，造成其沖擊韌性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。在其安裝過(guò)程中受力在螺紋根部發(fā)生脆性開(kāi)裂，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向軸斷裂失效，本文結(jié)論對(duì)該類(lèi)轉(zhuǎn)向軸的熱處理工藝具有一定指導(dǎo)作用。