主轴表面开裂原因分析

主轴表面开裂原因分析
我公司生产的一级公路运输车左右半轴总成,在喷砂处理后准备喷底漆时发现10件产品中有7件产品表面存在裂纹.裂纹分为两种形态,一种裂纹位于轴本体并沿轴向扩展,另一种裂纹位于焊缝附近并沿焊缝熔合线扩展.问题发生后,工厂高度重视,选取了一件轴本体开裂件(1#)和一件焊缝开裂件(2#)进行分析.主轴所用材料为45CrNiMoVA,属碳含量较高,并含有较多合金元素的高强度合金钢.该种材料淬硬倾向很大,热影响区冷裂倾向也很大,且焊接性差.轴的加工流程为:棒材粗加工→主轴与滑块支座采用手工氩弧焊连接(焊缝为环形插接角焊缝)→焊接后立即进行退火处理→探伤→调质处理(硬度要求为33~38HRC)→校正→喷砂→精加工.
1. 宏观观察
两件轴裂纹的宏观形貌如图1所示,对两件轴进行部分分解后,采用目视及体视显微镜对两件轴表面裂纹分别进行观察.1#轴表面裂纹位于轴本体上并基本沿轴向扩展(尾部存在弧线拐弯),裂纹在深度方向上沿径向扩展,裂纹中部已经穿透了所取试样的厚度(厚约30mm),如图2所示.2#轴表面裂纹沿主轴一侧的焊缝熔合线扩展,所取试块焊缝熔合线位置均存在开裂现象(长约1/2周),进一步放大观察裂纹由多条断续微裂纹组成,如图3所示.剖面观察,主裂纹上存在明显分插裂纹;主轴焊缝底部熔合线也已开裂,从裂纹的走向判断,该裂纹起源于角焊缝底部应力集中区,剖面裂纹宏观形貌及走向如图4所示.
图1 两件轴分解的宏观形貌
2. 断面宏观观察
图2 1#轴表面裂纹宏观形貌
图3 2#轴熔合线裂纹宏观形貌
图4 2#轴裂纹剖面宏观形貌
采用机械方法将两件轴上裂纹打开后进行观察,1#轴裂纹断面较平坦,断面呈黑色,局部呈红褐色,源区位于次表面,表面存在明显的剪切唇(剪切唇厚度较薄),如图5所示;2#裂纹断面凹凸不平,裂纹沿熔合线扩展,断面主要呈黑色,局部呈红褐色,源区位于表面,为多源起裂,如图6所示.
3. 断面微观观察
将断面置于扫描电镜下进行微观形貌观察,两个轴断面的微观形貌
相似,整个断面均附着一层较厚的氧化物,仅局部区域断面隐约可见沿晶形貌,如图7、图8所示.将断面氧化物清洗后观察:1#轴断面源区位于次表面,源区及扩展区呈沿晶形貌,表面剪切唇呈韧窝形貌,如图9所示;2#轴整个断面均呈沿晶形貌,如图10所示.以上形貌特征表明两个轴的开裂模式均为脆性开裂,且裂纹断面存在严重的氧化.
本文对PAPP的结构进行了表征，并将PAPP单独的添加到PA6中，研究了不同添加量下PAPP对PA6复合材料的阻燃效果。

同时，由于本文研究的是聚焦磷酸哌嗪的合成表征及其在PA6中的阻燃效果，由于时间关系，力学性能的测试尚未涉及，将会在以后的研究中继续探索聚焦磷酸哌嗪对材料力学性能的影响情况。

图5 1#轴断面宏观形貌
图6 2#轴断面宏观形貌4.能谱分析
图7 两件轴断面氧化物
图8 两件轴断面下方隐约可见沿晶形貌
图9 1#轴断口微观形貌
图10 2#轴断口微观形貌
对断面氧化物进行能谱分析,主要含有O、Fe元素,为基体氧化物,
能谱图如图11所示.对轴基体进行能谱分析,结果表明轴基体主合金元素及含量符合45CrMoVA的要求,能谱图及定量结果如图12和表1所示.
图11 氧化物能谱图
图12 基体能谱图
表1 基体能谱定量结果
元素质量分数(%) 原子分数(%)Si 0.58 1.15 Mn 0.60 0.61 Cr 1.18 1.26 V 0.18 0.19 Ni 1.55 1.47 Mo 0.39 0.23 Fe 95.52 95.09总量100 -
5. 金相及硬度分析
在两件轴裂纹附近分别取样制备成金相试样进行组织观察,两件轴基体内部非金属夹杂较少,其氧化物级别均为一级(按照GB/T10561-2005);基体组织一致,均为回火屈氏体组织;两个轴表面均存在明显的脱碳现象,1#脱碳层深度约0.16mm,2#轴脱碳层深度约0.14mm,如图13所示.两个轴裂纹均沿晶扩展,裂纹内部均可见明显的氧化物,裂纹两侧未见明显的脱碳现象,主裂纹两侧存在多条沿晶分叉微裂纹,如图14、图15所示.对两件轴基体分别进行显微硬度测试(结果详见表2),两件轴的显微硬度均比设计要求高.
图13 两件轴表面脱碳形貌
图14 1#轴裂纹两侧形貌
图15 2#轴裂纹附近组织形貌
表2 显微硬度测试结果
轴编号 HV0.2 平均HV0.2 HRC 设计要求HRC 1#轴 388 423 398 421 403 407 41.5 33~38 2#轴 386 405 403 388 411 399 40.8 6. 结果分析与讨论
(1)能谱分析结果表明,轴所用材料主合金元素及含量符合设计45CrMoVA牌号的要求,金相分析结果表明轴基体内部未见超标的氧化物夹杂等材料缺陷.
(2)裂纹断面观察结果表明,1#轴断面较平、源区位于次表面,2#轴断面相对粗糙,源区位于表面,两件轴断面均断面附着一层较厚的黑色基体氧化物,原始断口形貌已观察不到.断面清洗后发现两个断面源区及扩展区均呈沿晶形貌.以上断口形貌特征表明两件轴的开裂模式均为脆性开裂,且断面发生了严重的高温氧化.
沈老七把沈小小接回沈府后，就将她许配给了河口镇李氏货场的
三少爷。

为了少生事端，沈小小是沈老七夜里派人送进城的。

沈老七为了补偿张满春的营救之功，他破例要送给张家二十亩地。

管家刘二把这事告诉张满春后，张满春平静地说，我什么都不要，只要沈小小。

他找到沈老七说理，沈老七却说，这能怪我吗？张满春愤然说，我家是穷。

当初你可是红口白牙呀？沈老七笑笑说，那事我记得。

我不会亏待你的，你说吧，那田都摆那儿了，任你挑，二十亩。

张满春气吁吁地说，沈老七，你等着。

有一天我也要你过一过穷苦人的日子。

张满春说完转身走了。

沈老七在心里说，这可能吗？他摇了摇头。

(3)金相分析结果表明,两件轴表面均存在脱碳现象,但裂纹两侧未见明显的脱碳现象,裂纹均沿晶扩展,并可见沿晶分叉微裂纹;而且两件轴的硬度均比设计要求高.以上形貌及测试结果表明两件轴的热处理工艺选择或控制不当.
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7.结语
综合分析认为:两件轴表面裂纹的开裂模式均为脆性开裂,是热处理过程中形成的淬火裂纹,轴基体未见明显材料缺陷,开裂的原因应与轴的热处理工艺选择或控制不当有关.
参考文献:
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[2]王忠诚,王东.热处理常见缺陷分析与对策[M].北京:化学工业出版社,2012.
[3]中国国家标准化管理委员会.合金结构钢:GB/T3077-2015[S].北京:中国标准出版社,2016.
[4]中国国家标准化管理委员会.钢中非金属夹杂物含量的测定-标
准评级图显微检验法:GB/T10561-2005[S].北京:中国标准出版社,2005.
[5]中国国家标准化管理委员会.金属维氏硬度试验:GB/T 4340.1-2009[S].北京:中国标准出版社,2016.。