鄭東偉，李松濤，王 鑫，趙晨光

（林州鳳寶管業(yè)有限公司檢測中心，河南 林州 456592）

20Mn2 鋼屬于低碳合金鋼，冷變形時塑性高，焊接可加工性良好，淬透性較高，耐磨耐蝕性較好，用其制作的整體車軸符合掛車輕量設(shè)計，廣泛應(yīng)用于重載貨車行業(yè)；而車軸類零件是掛車系統(tǒng)中關(guān)鍵零件之一，其質(zhì)量的好壞直接影響到掛車使用的安全性和可靠性。而在生產(chǎn)檢驗及使用過程中，車軸未達到標準要求的服役壽命，時常出現(xiàn)早期開裂情況，給企業(yè)造成了一定的經(jīng)濟損失，因此分析車軸早期失效原因顯得十分必要。這里對導致兩個車軸早期開裂的因素及應(yīng)對措施進行探討。兩個失效車軸均為20Mn2 鋼Φ178 mm×11 mm 規(guī)格的熱軋無縫鋼管生產(chǎn)車軸，生產(chǎn)工藝有所不同。

1 號失效車軸加工工藝為：鋸切下料（約2.3 m）→兩端軸頭熱縮頸增厚→管體冷推方→整體調(diào)質(zhì)（井氏爐）→軸頭機加工→摩擦焊等。在摩擦焊后進行電液伺服疲勞試驗，電疲伺服疲勞試驗為垂直彎曲疲勞壽命試驗，試驗負荷為脈動循環(huán)負荷，多通道電液伺服疲勞試驗機的工作頻率不高于500次/min，示波器監(jiān)測直至車軸斷裂。疲勞壽命約59萬次后出現(xiàn)開裂（JT/T 475—2020《掛車車軸》要求平均疲勞壽命≥80 萬次），開裂部位位于推方過渡區(qū)附近軸頭部位。

2 號失效車軸的加工工藝及失效情況為：鋸切下料（約2.2 m）→兩端軸頭熱縮頸增厚→管體冷推方→整體調(diào)質(zhì)（井式爐）→拋丸后校直→軸頭機加工→焊接輔件→裝配，掛車車軸在投入使用后很快出現(xiàn)斷裂事故。

1 試驗過程及結(jié)果

1.1 化學成分分析

從1～2 號失效車軸上分別取樣做化學成分分析，兩種失效車軸化學成分分析結(jié)果見表1，兩種車軸的化學分析結(jié)果均符合客戶對20Mn2 鋼的要求。

表1 兩種失效車軸化學成分（質(zhì)量分數(shù)）分析結(jié)果 %

1.2 斷口宏觀分析

1 號車軸開裂部位位于推方過渡區(qū)附近，距離摩擦焊卷邊處約20 mm，圓周約3/4 開裂。斷口形貌分為兩部分，紅色標志區(qū)光滑平坦，呈瓷狀特征，該區(qū)顏色發(fā)灰，為疲勞開裂區(qū)，且為多源開裂，裂紋源位于外壁部位（最薄區(qū)域）；黃色標志區(qū)斷口纖維放射紋路明顯，為后續(xù)擴展區(qū)，宏觀觀察，軸頭外圓經(jīng)過機加工，局部存在原始黑皮，壁厚均勻性較差，橫向斷裂部位和加工部位平齊，外圓加工處和未加工處顏色深淺不一。測量推方樣管部位4 個側(cè)面壁厚，A 端端面分別測量4 個平面及4 個圓弧角的壁厚，端面壁厚測量結(jié)果見表2，壁厚極差分別為0.5 mm 和0.3 mm。測量軸頭斷裂部位壁厚（外圓經(jīng)過加工），測量點到焊縫距離相同，1 號車軸開裂樣管測量結(jié)果見表3，測量點1樣管壁厚最薄，壁厚均勻性較差，在測量點3 附近存在明顯黑皮。1 號軸頭壁厚測量位置如圖1 所示。

表3 1 號車軸開裂部位壁厚測量結(jié)果 mm

圖1 1 號軸頭壁厚開裂樣管測量位置示意

表2 1 號車軸推方部位兩端面壁厚測量結(jié)果 mm

2 號車軸開裂位置位于車軸油封位和軸承位過渡圓弧根部部位，為橫向斷裂。斷裂部位是變徑角處，一側(cè)張開較大，雙側(cè)張開較小。宏觀觀察：斷口特征為明顯的雙向彎曲疲勞斷裂，裂紋源分別位于外壁變徑弧型根部兩側(cè)邊緣，有多個疲勞臺階，為線性多源開裂，裂紋源區(qū)磨損氧化嚴重。疲勞裂紋擴展區(qū)較平坦，有明顯的疲勞紋；斷口中間兩側(cè)為最后斷裂區(qū)，斷口粗糙。2 號車軸開裂樣管疲勞斷口宏觀形貌如圖2 所示。

圖2 2 號車軸開裂樣管疲勞斷口宏觀形貌

1.3 斷口微觀分析

通過觀察1 號車軸裂紋源區(qū)域外表面，發(fā)現(xiàn)切削加工刀紋明顯，開裂位于刀紋根部應(yīng)力集中部位，1 號車軸裂紋源部位如圖3 所示。用便攜式粗糙度儀測量車軸開裂外表面處的粗糙度，顯示為3.2 μm，加工成符合圖紙設(shè)計要求的1.6 μm 粗糙度。將裂紋源區(qū)樣品放入電鏡中觀察，近源區(qū)斷口上有高周脆性疲勞條紋，并呈放射性擴展，1 號車軸掃描電鏡下疲勞斷口形貌如圖4 所示。2 號車軸斷口可見外壁有多處疲勞源臺階，開裂源部位氧化較重，疲勞裂紋擴展區(qū)有明顯的脆性疲勞特征，終斷區(qū)為韌窩形貌。

圖3 1 號車軸裂紋源部位形貌

圖4 1 號車軸掃描電鏡下疲勞斷口形貌

1.4 機械性能試驗

在1 號車軸樣品上推方部位切取試樣加工后做機械性能試驗，并在軸頭開裂部位取樣做沖擊試驗和硬度試驗（因樣品條件限制，無法做拉伸試驗），可見軸體調(diào)質(zhì)后的強度指標較高，硬度超出工藝上限要求，且軸頭開裂部位的沖擊值遠低于推方部位，1 號車軸推方部位機械性能試驗結(jié)果見表4，1號軸頭開裂部位沖擊試驗和硬度試驗結(jié)果見表5。

表4 1 號車軸推方部位機械性能試驗結(jié)果

從2 號開裂車軸軸體部位取試樣，經(jīng)加工后做室溫拉伸試驗，結(jié)果見表6，試樣抗拉強度和規(guī)定塑性延伸強度均低于標準要求。該車軸要求調(diào)質(zhì)后硬度為240～280 HBW，而靠近斷軸開裂部位橫截面硬度為210～225 HBW，表明該車軸硬度不符合標準要求。

表6 2 號車軸拉伸試驗結(jié)果

1.5 金相分析

1 號車軸外壁存在明顯加工刀紋，裂紋源位于刀紋根部，裂紋源周圍無夾雜物偏聚等冶金缺陷，周圍組織為回火索氏體和少量網(wǎng)狀鐵素體，未見異常組織，1 號車軸裂紋源部位拋光態(tài)及金相組織形貌如圖5 所示。2 號車軸裂紋源周圍無夾雜物偏聚等冶金缺陷，組織均為鐵素體、回火索氏體、貝氏體組織，2 號車軸裂紋源和軸頭基體組織形貌如圖6 所示。1～2 號車軸裂紋源部位夾雜物評級結(jié)果正常，1～2 號車軸縱截面夾雜物分析結(jié)果見表7。

表7 1～2 號車軸縱截面夾雜物分析結(jié)果 級

圖5 1 號車軸裂紋源部位拋光態(tài)及金相組織形貌

圖6 2 號車軸裂紋源和軸頭基體組織形貌

2 分析與討論

2.1 1 號失效車軸

1 號車軸推方部位和軸頭部位試樣的力學性能結(jié)果表明：試樣的強度、硬度較高，軸頭部位的沖擊值較低，側(cè)面反映出材料的脆性傾向也相對變大。據(jù)了解該客戶的調(diào)質(zhì)工藝為880 ℃淬火，540℃回火，保溫時間90 min。硬度超出工藝要求范圍，說明淬火后回火溫度較低。工件的表面質(zhì)量對疲勞斷裂影響重大，疲勞源是疲勞裂紋萌生地，工件表面不恰當?shù)慕Y(jié)構(gòu)形狀（如拐角、缺口或直徑的劇烈變化），工藝加工缺陷（如切削刀痕）等會引起局部的應(yīng)力集中而誘發(fā)疲勞裂紋的萌生。現(xiàn)有的理論研究表明，切削加工表面粗糙度指標差形成的應(yīng)力集中大大增加了疲勞裂紋的形成概率和擴展速率，從而降低了工件的疲勞強度。

據(jù)伍穎等研究的表面粗糙度對疲勞強度的影響研究表明：在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。表面粗糙度值愈大，表面的紋痕愈深，紋底半徑愈小，抗疲勞破壞能力就愈差。疲勞裂紋萌生后，裂紋逐步擴展，在經(jīng)受多次的應(yīng)力循環(huán)后，失穩(wěn)斷裂。車軸試樣化學成分、基體夾雜物符合要求，且裂紋源部位無大型夾雜物等冶金缺陷，周圍組織正常，但在該車軸的裂紋源部位發(fā)現(xiàn)切削加工時的粗刀紋是形成應(yīng)力集中疲勞開裂的主要原因[1]。

2.2 2 號失效車軸

分析結(jié)果表明：該車橋軸發(fā)生了雙向彎曲疲勞開裂，屬于多源疲勞開裂，起裂源位于過渡圓角曲率半徑最小的位置，該位置存在應(yīng)力集中，是車橋軸上應(yīng)力水平較高的區(qū)域。源區(qū)附近表面加工狀態(tài)無異常，無外部損傷和異常冶金缺陷。屬于工作應(yīng)力超過零件本身的疲勞強度引起的脆性疲勞開裂。材料的強度低于設(shè)計要求是其開裂的主要原因。

調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）正常組織是回火索氏體，這種組織不僅具有一定的強度，而且具有良好的韌性，從而使車軸具有良好的強韌性，較高的抗彎強度、斷裂強度和疲勞強度。該車軸廠家熱處理的調(diào)質(zhì)工藝為：淬火保溫860 ℃，保溫時間35 min，浸入式水冷，后560 ℃回火，保溫時間90 min。在車軸加工現(xiàn)場了解到，該車軸淬火后的冷卻水池較小，沒有安裝攪拌循環(huán)泵，水污染程度較高。這些因素造成工件淬火時冷卻能力不足，勢必影響馬氏體組織轉(zhuǎn)變不充分，后續(xù)出現(xiàn)先共析鐵素體及上貝氏體組織，造成材料的強度偏低。

2.2.1 調(diào)質(zhì)組織中鐵素體

亞共析鋼在亞溫區(qū)加熱保溫時，組織為奧氏體和鐵素體，冷卻時，奧氏體轉(zhuǎn)變成其他組織，而鐵素體則被保留下來形成未溶鐵素體。未溶鐵素體的形成與亞溫區(qū)加熱、保溫有關(guān)，通常是正火、淬火加熱時欠溫所致；亞共析鋼在加熱到完全奧氏體狀態(tài)，冷卻時在亞溫區(qū)停留時間稍長而緩冷，則鐵素體會沿奧氏體晶界析出，形成網(wǎng)狀鐵素體。而網(wǎng)狀鐵素體則與冷卻能力不足有關(guān)。調(diào)質(zhì)組織中鐵素體的存在，極大降低了材料的疲勞強度[2-14]。

2.2.2 上貝氏體組織

上貝氏體中滲碳體分布在鐵素體條之間，碳含量低時，碳化物沿條間呈不連續(xù)的粒狀或鏈珠狀分布，碳含量高時，碳化物呈桿狀甚至連續(xù)狀分布。調(diào)質(zhì)生產(chǎn)中淬火時冷卻能力不足是組織中產(chǎn)生上貝氏體組織的主要原因，回火溫度不足以使其產(chǎn)生相變故保留下來。上貝氏體因碳化物顆粒粗大，強化作用較小，特別因有片狀鐵素體存在，可能成為裂紋發(fā)展的通道，所以不僅抗拉強度低、脆性大，而且疲勞性能也較差。

3 改進措施

3.1 1 號失效車軸

通過以上分析可以確定該車軸電液伺服疲勞試驗早期開裂是由于軸頭車削加工質(zhì)量不佳，在車軸變徑部位產(chǎn)生了局部應(yīng)力集中，另外在車軸調(diào)質(zhì)后存在硬度超標（軸頭部位韌性較差）等不利因素的影響下，產(chǎn)生了早期疲勞開裂。為了改善這種情況，提出以下建議供參考：

（1） 車軸調(diào)質(zhì)后硬度超出工藝要求的范圍，應(yīng)適當調(diào)整回火溫度，使產(chǎn)品調(diào)質(zhì)后機械性能在合理區(qū)間，提高產(chǎn)品的綜合性能。

（2） 建議更改軸頭外圓部位的加工工藝，由車削加工改為磨削加工，改善表面粗糙度，避免車削加工時的粗刀痕。

（3） 加強對管材的入廠檢驗和車軸機加工前的工藝控制，盡量避免加工時的壁厚不均及缺陷情況。

3.2 2 號失效車軸

由于該車軸淬火后冷卻能力不足使基體中產(chǎn)生了大量鐵素體和貝氏體組織，造成強度較低、疲勞性能較差，使用過程中交變荷載作用在變徑根部，發(fā)生早期疲勞斷裂情況?，F(xiàn)場可以從兩點改進：

（1） 加強熱處理過程監(jiān)督，嚴格按照工藝制度加熱、保溫及冷卻是獲得優(yōu)良組織和性能的關(guān)鍵。

（2） 冷卻水池配備循環(huán)泵，必要時改造冷卻循環(huán)水池，提高淬火冷卻速度，使組織充分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。避免出現(xiàn)不良的鐵素體、貝氏體組織，從而使材料性能滿足技術(shù)要求。

4 結(jié) 語

在車軸加工工藝上采取一定技術(shù)措施，嚴格執(zhí)行熱處理工藝，滿足機械性能要求，改善產(chǎn)品表面粗糙度，做好原材料及工序間檢驗控制工作是提高車軸的疲勞壽命的重要措施。