钢转轴壁断裂原因失效分析

车辆转向机构的转向臂下端轴, 规格为φ80×154，材质为40Cr，整体调质加表面淬火，表面发黑处理，该轴为车辆转向机构一部分，工作时承受交变载荷，使用5731h后发生断裂。

故障件断口检查，断面经清洗后的宏观形貌，可见断口位于台阶与轴过渡的圆角处，断口无明显塑性变形痕迹，断面左侧断面较为平整，表面有明显的疲劳条带，为典型疲劳断口形貌。故障件断口宏观形貌，见图11-211。

疲劳源位于断口边缘，呈弯曲载荷下的疲劳源特征，将断口面分为A、B、C、D四个区域， 从断口宏观形貌分析，A区应为疲劳源区，B区为疲劳裂纹扩展区，C区为裂纹快速扩展区，D区为剪切断面，为终断区。

图11-212为断面A区微观形貌，可见断口表面有磨损痕迹。

图11-213所示为断口外侧台阶与轴过渡的圆角，可见明显的加工刀痕和孔洞缺陷。

图11-211 轴断口宏观形貌

图11-212  断面A区微观形貌              图11-213  断面A区微观形貌

图11-214所示为断面B区微观形貌，可见明显的疲劳条带，为疲劳裂纹扩展区。

图11-215所示为断面C区微观形貌，可见明显的准解理形貌，伴随晶间二次裂纹，为裂纹快速扩展区。

图11-214  断面B区疲劳条带形貌          图11-215   断面C区微观形貌

图11-216所示为断面D区微观形貌，可见大量韧窝，为瞬断区。

图11-217所示为断面D区微观形貌，发现断面存在较孔洞缺陷，可能是显微疏松和夹杂。。

图11-216断面D区微观形貌               图11-217断面孔洞形貌

在断口附近截取金相试样观察：

图11-218为试样圆角表面组织，组织为回火索氏体+轻微魏氏组织。

图11-219试样心部组织；组织为回火索氏体+较严重魏氏组织，以及网状铁素体，金相组织表明该故障件已过热。

图11-218  圆角处表面金相组织           图11-219  心部金相组织

故障件圆角外形及表面金相组织检查，可见圆角过渡不圆滑，未达到设计要求，表面未见脱碳或渗碳迹象，圆角外形及表面金相组织，图11-220所示。

对故障轴进行宏观金相检测，根据《GB/T 1979-2001 结构钢低倍组织缺陷评级图》规定，判定为中心疏松4级，如图11-221所示，

故障轴硬度试验结果，心部硬度263、253、260HV10，技术要求为274-327HV10，心部由于组织异常，硬度偏低。

采用直读光谱法对失效样品进行化学成分分析，结果符合《GB/T 3077-1999》标准对40Cr钢化学成分的要求。

图11-220  故障轴圆角处金相组织           图11-221 故障轴低倍金相

故障轴构件图纸及断裂位置、受力情况位置示意图如图11-222、图11-223所示。

图11-222失效构件图纸

图11-223 故障轴断裂位置、受力情况位置示意图

断裂试样表面硬度、化学成分符合技术要求。金相组织存在异常，表明试样热处理过程不符合工艺要求，存在过热情况。宏观金相显示试样内部存在疏松，但这些不是引起构件断裂的根本原因。

断口形貌显示，断面存在明显的疲劳条带，呈典型疲劳断裂特征；疲劳源位于台阶过渡的圆角处，圆角处为应力集中处；疲劳源区位于台阶与轴过渡的圆角区域。疲劳裂纹扩展区面积约占整个断面面积的二分之一。

根据图纸可知，圆角半径设计值为1mm，但是金相检测表明圆角过渡并不圆滑、顺畅，未达到设计要求，导致应力集中明显，同时圆角处的加工刀痕及铸造缺陷加剧了应力集中，这是引起构件疲劳断裂的根本原因。

疲劳裂纹源在应力集中处产生，由于构件中心疏松严重，金相组织异常，存在魏氏组织等缺陷，使疲劳裂纹容易扩展，转向臂下端轴在交变载荷作用下疲劳进一步扩展，最后疲劳断裂。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

（1）故障件的断裂性质是疲劳断裂。

（2）引起疲劳断裂的原因是台阶过渡处圆角未达到设计要求，机加工有明显刀痕，以及铸造缺陷等引起断裂件局部位置应力集中，应力集中处产生疲劳源，由于故障件存在中心疏松和在魏氏组织，使疲劳裂纹容易扩展，在交变载荷作用下展最后疲劳断裂。

（3）优化轴与台阶过渡处的圆角设计，加工后进行尺寸测量，保证加工精度满足设计要求，

（4）机加工后增加喷丸处理，增加构件的抗疲劳能力。

（5）应加强铸造及热处理环节的质量控制，使铸造质量和热处理质量满足技术要求。