分享：轨道车辆抗侧滚扭杆轴断裂原因

一般采用抗侧滚扭杆装置调节轨道车辆安全运行所需的抗侧滚刚度，以满足车辆运行所需的脱轨系数和柔性系数要求[1]。扭杆轴作为抗侧滚扭杆装置的主要受力部件，其性能在很大程度上决定了整个抗侧滚装置的安全性。某型抗侧滚扭杆轴材料为52CrMoV4钢，棒材两端镦粗，扭杆轴中间部分喷丸。扭杆轴的主要生产工艺流程为：原材料（钢厂）→来料检测→下料→端部镦粗→粗加工→标识→热处理→矫直→精加工→磁粉检测→喷丸→装配→油漆。在某型号52CrMoV4钢扭杆轴的热处理后矫直工序，该扭杆轴频繁发生断裂现象，同一热处理炉断裂多根扭杆轴，且断口相似。为查明断裂原因，笔者对断裂扭杆轴进行了一系列理化检验，并结合生产工艺过程对断裂原因进行分析，最后提出改进建议，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   断口分析

将扭杆轴断口切下，用超声波清洗后，对断口进行宏观观察。断口宏观形貌如图1所示。由图1可知：扭杆轴断裂位置为杆件未镦粗部位，断口未见明显的塑性变形，断面比较平坦，可良好吻合，断口粗糙呈颗粒状，可见细小的放射状条纹；放射状条纹的收敛位置为断裂源处，见图1b）椭圆形区域。 

图  1  断口宏观形貌

在断口处截取试样，将试样至于扫描电镜下观察，结果如图2所示。由图2可知：断裂源处呈沿晶断裂特征[见图2a）]；晶粒较粗大，晶界分离面上有细小的韧窝[见图2b）]；放射区域呈准解理断裂形貌[见图2c）]，准结理为不连续的断裂过程，各隐藏裂纹连接处时常发生较大的塑性变形，形成所谓撕裂棱，或形成微孔聚合的韧窝，有时甚至形成韧窝带[2]。扭杆轴断裂性质为脆性断裂，断裂源位于轴的表面，缺口和缺陷常是断裂的起源处，有明显的放射状条纹，说明断裂过程是急速的。 

图  2  断口SEM形貌

1.2   金相检验

扭杆轴材料（52CrMoV4钢）含Mn、Cr、Ni等合金元素，合金元素的主要作用是提高钢的淬透性和综合力学性能[3]。52CrMoV4钢有优良的淬透性，通过淬火加中温回火，可以获得均匀的回火屈氏体，以实现其良好的综合性能。在断裂扭杆轴表面和心部、断裂源处分别截取1块试样进行金相检验，另外在正常扭杆轴相应位置截取1块晶粒度试样进行对比。 

断裂扭杆轴的微观形貌如图3所示。由图3可知：断裂扭杆轴表面试样的显微组织为回火屈氏体和少量碳化物[见图3a）]，为正常的调质组织，表面脱碳层深度为0.44 mm[见图3b）]；断裂源处试样磨面上局部有晶界融化和融化孔洞[见图3c）]，说明断裂扭杆轴断裂源处局部出现过烧；断裂源处试样晶粒度为5.0级[见图3d）]，正常扭杆轴晶粒度为9.5级[见图3e）]，一般情况下，晶粒尺寸越小，材料的强度和硬度越高，韧性越好[4-6]；心部组织为回火屈氏体和少量马氏体[见图3f）]，说明回火不够充分，马氏体未完全转变。 

图  3  断裂扭杆轴的微观形貌

1.3   力学性能测试

在断裂扭杆轴1/2半径处纵向截取1根拉伸试样和3根冲击试样，在扭杆轴横断面截取洛氏硬度测试试样，对试样进行力学性能测试，结果如表1所示。由表1可知：断裂扭杆轴的抗拉强度、洛氏硬度均高于技术要求，断裂扭杆轴的断后伸长率、冲击吸收能量均低于技术要求。 

1.4   原材料分析

对断裂扭杆轴同批次材料进行化学成分、低倍组织、淬透性、非金属夹杂物分析，结果如表2~5所示。由表2~5可知：断裂扭杆轴同批次材料的化学成分、低倍组织、淬透性、非金属夹杂物等均符合材料技术要求。 

2.   综合分析

扭杆轴断裂性质为脆性断裂，断口宏观形貌呈放射状（或人字纹），微观形貌呈解理（或准解理）状的脆性断口，其与材料本身、工艺过程引起的本质脆性有关，或由高温、低温等引起，因此对该类脆性断裂原因进行分析时，要从材料本身、工艺过程和使用条件等方面去分析诊断。 

从材料本身来看，扭杆轴原材料的化学成分、非金属夹杂、淬透性、低倍组织均符合52CrMoV4钢的技术要求，说明扭杆轴原材料符合要求。 

从工艺过程分析，扭杆轴断裂源位于轴的表面，微观形貌呈沿晶断裂特征。沿晶断裂的产生原因除环境介质作用外，还有3种情况：① 晶界沉淀相引起的沿晶断裂；② 杂质元素在晶界偏聚引起的沿晶断裂；③ 金属过热、过烧引起的沿晶断裂。断裂扭杆轴表面显微组织为回火屈氏体和少量碳化物，是正常的调质组织；断裂源处存在局部过烧，因为断裂源位于杆件未镦粗部位，而镦粗加热为局部加热，所以判定过烧是在热处理过程中产生的。产生过热、过烧的主要原因是淬火加热温度过高。在实际生产中，为达到节能增效的作用，采取了提高炉温的快速加热方式。断裂源处局部晶界融化和融化孔洞是过烧的表现，扭杆轴存在过烧，从而导致材料脆化，增大了脆性断裂的风险。 

淬火时由于温度过高，温差增大，热应力相应增大，同时还增强了材料的淬透性，使组织应力相应提高，增加了总变形量[7]。由于回火时间不充分，心部组织有少量马氏体存在，硬度偏高导致组织存在内应力，故材料韧性降低。不良热处理导致材料产生脆性组织、淬火裂纹，淬火后消除应力不及时或不充分等都能引起脆性断裂[8]。回火时间的基本原则是保证工件烧透和组织转变充分，以及应力得到消除。钢的硬度随着回火时间的延长而下降。扭杆轴热处理时变形量增大导致矫直时所施加的力增大，同时回火不足使材料有内应力存在，材料韧性降低，最终导致矫直时扭杆轴发生脆性断裂。 

3.   结论与建议

（1）该批次扭杆轴生产时的热处理工艺不当。淬火时加热温度过高导致材料过热、过烧，材料脆化；回火时间不充分使组织未完全转变、应力未得到消除，导致材料的韧性降低；不规范的热处理工艺导致扭杆轴变形量增大，矫直时所施加力增大，从而导致扭杆轴断裂。 

（2）建议制定合理的热处理工艺制度，并严格遵守，定期核查加热炉温度。首先，严格控制好淬火温度，生产中如果采用提高炉温的方法来缩短加热时间、提高生产效率或节约能源，应将温度控制在不使材料出现过热、过烧的范围内；其次，严格控制好回火时间，以保证工件烧透和组织转变充分，同时消除内应力。此外，还应提高热处理炉内温度的均匀性，注意保护工件表面，防止或减少表面脱碳。 

文章来源——材料与测试网