主軸表面開(kāi)裂是什么原因

作者所在公司生產(chǎn)的一級(jí)公路運(yùn)輸車(chē)左右半軸總成，在噴砂處理后準(zhǔn)備噴底漆時(shí)發(fā)現(xiàn)10件產(chǎn)品中有7件產(chǎn)品表面存在裂紋。裂紋分為兩種形態(tài)，一種裂紋位于軸本體并沿軸向擴(kuò)展，另一種裂紋位于焊縫附近并沿焊縫熔合線(xiàn)擴(kuò)展。問(wèn)題發(fā)生后，工廠(chǎng)高度重視，選取了一件軸本體開(kāi)裂件（1#）和一件焊縫開(kāi)裂件（2#）進(jìn)行分析。

主軸所用材料為45CrNiMoVA，屬碳含量較高，并含有較多合金元素的高強(qiáng)度合金鋼。該種材料淬硬傾向很大，熱影響區(qū)冷裂傾向也很大，且焊接性差。軸的加工流程為：棒材粗加工→主軸與滑塊支座采用手工氬弧焊連接（焊縫為環(huán)形插接角焊縫）→焊接后立即進(jìn)行退火處理→探傷→調(diào)質(zhì)處理（硬度要求為33~38HRC）→校正→噴砂→精加工。01宏觀觀察兩件軸裂紋的宏觀形貌如圖1所示，對(duì)兩件軸進(jìn)行部分分解后，采用目視及體視顯微鏡對(duì)兩件軸表面裂紋分別進(jìn)行觀察。圖1

兩件軸分解的宏觀形貌1#軸表面裂紋位于軸本體上并基本沿軸向擴(kuò)展（尾部存在弧線(xiàn)拐彎），裂紋在深度方向上沿徑向擴(kuò)展，裂紋中部已經(jīng)穿透了所取試樣的厚度（厚約30mm），如圖2所示。圖21#軸表面裂紋宏觀形貌2#軸表面裂紋沿主軸一側(cè)的焊縫熔合線(xiàn)擴(kuò)展，所取試塊焊縫熔合線(xiàn)位置均存在開(kāi)裂現(xiàn)象（長(zhǎng)約1/2周），進(jìn)一步放大觀察裂紋由多條斷續(xù)微裂紋組成，如圖3所示。圖32#軸熔合線(xiàn)裂紋宏觀形貌剖面觀察，主裂紋上存在明顯分插裂紋；主軸焊縫底部熔合線(xiàn)也已開(kāi)裂，從裂紋的走向判斷，該裂紋起源于角焊縫底部應(yīng)力集中區(qū)，剖面裂紋宏觀形貌及走向如圖4所示。圖42#軸裂紋剖面宏觀形貌02斷面宏觀觀察采用機(jī)械方法將兩件軸上裂紋打開(kāi)后進(jìn)行觀察，1#軸裂紋斷面較平坦，斷面呈黑色，局部呈紅褐色，源區(qū)位于次表面，表面存在明顯的剪切唇（剪切唇厚度較薄），如圖5所示；2#裂紋斷面凹凸不平，裂紋沿熔合線(xiàn)擴(kuò)展，斷面主要呈黑色，局部呈紅褐色，源區(qū)位于表面，為多源起裂，如圖6所示。（a）（b）

圖51#軸斷面宏觀形貌（a）（b）

圖62#軸斷面宏觀形貌03斷面微觀觀察將斷面置于掃描電鏡下進(jìn)行微觀形貌觀察，兩個(gè)軸斷面的微觀形貌相似，整個(gè)斷面均附著一層較厚的氧化物，僅局部區(qū)域斷面隱約可見(jiàn)沿晶形貌，如圖7、圖8所示。（a）（b）圖7

兩件軸斷面氧化物（a）（b）

圖8

兩件軸斷面下方隱約可見(jiàn)沿晶形貌將斷面氧化物清洗后觀察：1

#軸斷面源區(qū)位于次表面，源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)呈沿晶形貌，表面剪切唇呈韌窩形貌，如圖9所示；2#軸整個(gè)斷面均呈沿晶形貌，如圖10所示。以上形貌特征表明兩個(gè)軸的開(kāi)裂模式均為脆性開(kāi)裂，且裂紋斷面存在嚴(yán)重的氧化。（a）（b）斷面沿晶形貌（c）源區(qū)（d）（a）剪切唇韌窩形貌（b）源區(qū)沿晶形貌圖91#軸斷口微觀形貌（a）（b）擴(kuò)展沿晶形貌（c）源區(qū)（d）（e）源區(qū)沿晶形貌圖102#軸斷口微觀形貌04能譜分析對(duì)斷面氧化物進(jìn)行能譜分析，主要含有O、Fe元素，為基體氧化物，能譜圖如圖11所示。圖11

氧化物能譜圖對(duì)軸基體進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明軸基體主合金元素及含量符合45CrMoVA的要求，能譜圖及定量結(jié)果如圖12和表1所示。圖12

基體能譜圖表1

基體能譜定量結(jié)果05金相及硬度分析在兩件軸裂紋附近分別取樣制備成金相試樣進(jìn)行組織觀察，兩件軸基體內(nèi)部非金屬夾雜較少，其氧化物級(jí)別均為一級(jí)（按照GB/T10561—2005）；基體組織一致，均為回火屈氏體組織；兩個(gè)軸表面均存在明顯的脫碳現(xiàn)象，1#脫碳層深度約0.16mm，2#軸脫碳層深度約0.14mm，如圖13所示。兩個(gè)軸裂紋均沿晶擴(kuò)展，裂紋內(nèi)部均可見(jiàn)明顯的氧化物，裂紋兩側(cè)未見(jiàn)明顯的脫碳現(xiàn)象，主裂紋兩側(cè)存在多條沿晶分叉微裂紋，如圖14、圖15所示。對(duì)兩件軸基體分別進(jìn)行顯微硬度測(cè)試（結(jié)果詳見(jiàn)表2），兩件軸的顯微硬度均比設(shè)計(jì)要求高。（a）1#軸表面脫碳（b）2#軸表面脫碳圖13

兩件軸表面脫碳形貌（a）（b）圖152#軸裂紋附近組織形貌表2

顯微硬度測(cè)試結(jié)果06結(jié)果分析與討論（1）能譜分析結(jié)果表明，軸所用材料主合金元素及含量符合設(shè)計(jì)45CrMoVA牌號(hào)的要求，金相分析結(jié)果表明軸基體內(nèi)部未見(jiàn)超標(biāo)的氧化物夾雜等材料缺陷。（2）裂紋斷面觀察結(jié)果表明，1#軸斷面較平、源區(qū)位于次表面，2#軸斷面相對(duì)粗糙，源區(qū)位于表面，兩件軸斷面均斷面附著一層較厚的黑色基體氧化物，原始斷口形貌已觀察不到。斷面清洗后發(fā)現(xiàn)兩個(gè)斷面源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)均呈沿晶形貌。以上斷口形貌特征表明兩件軸的開(kāi)裂模式均為脆性開(kāi)裂，且斷面發(fā)生了嚴(yán)重的高溫氧化。（3）金相分析結(jié)果表明，兩件軸表面均存在脫碳現(xiàn)象，但裂紋兩側(cè)未見(jiàn)明顯的脫碳現(xiàn)象，裂紋均沿晶擴(kuò)展，并可見(jiàn)沿晶分叉微裂紋；而且兩件軸的硬度均比設(shè)計(jì)要求高。以上形貌及測(cè)試結(jié)