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              工程機械銷軸是機械零部件間的連接元件,承受較大單向彎曲載荷、剪切應力或擠壓應力等。工程機械銷軸在工作或行走裝置中兩相對運動部件鉸接的主要形式,在機器工作過程中, 銷軸承受較大往複循環的剪切力,在工作中容易發 生斷裂失效,造成較大的經濟損失某工程機械銷軸由40Cr鋼軸與Q235B鋼套管焊接而成,服役條件較差,長期暴露于潮濕和水泥粉塵的環境中,3個月後發生斷裂。為找到銷軸斷裂的原因,來自研究人員對其進行了理化檢驗和分析,以期為焊接工藝的改進和預防銷軸斷裂提供幫助。

          1. 理化檢驗

          1.1 宏觀觀察

                  該工程機械銷軸于40Cr鋼軸與Q235B鋼套管焊接處斷裂,将40Cr鋼軸沿斷裂面分為兩部分,兩側斷面分别稱為斷面A和斷面B。由圖1所示的斷口宏觀形貌可見,裂紋源位于焊接焊縫處,沿40Cr鋼軸的橫截面擴展,斷口宏觀平直呈放射狀花樣,具有明顯脆性斷裂特征。

          圖1 斷裂銷軸的宏觀形貌

          1.2 化學成分分析

               對斷裂銷軸取樣進行化學成分析,可見其化學成分符合GB/T3077—2015《合金結構鋼》對40Cr鋼成分的要求,但磷、硫等雜質元素含量相對偏高,雖未超出标準要求但高于正常生産時内部控制要求(磷的質量分數≤0.020%,硫的質量分數≤0.015%)。

          1.3 金相檢驗

                從斷面B沿裂紋源縱向切開,制作矩形塊狀試樣,試樣經抛光、浸蝕後觀察其顯微組織。在其右上角的裂紋源附近發現有與母材浸蝕着色程度不同的異常組織,如圖2所示。

           圖2 取樣位置及異常組織

          進一步放大觀察,可見裂紋源附近異常組織為以馬氏體為主的焊接熱影響區組織,母材區顯微組織為鐵素體+珠光體,如圖3所示。

          圖3 裂紋源附近的顯微組織形貌

          切取斷面上帶有焊縫的試樣并觀察其顯微組織形貌,如圖4所示,可見試樣存在界面清晰的典型焊接形貌分區,包括焊縫區、熱影響區和母材區。

           圖4 焊點附近的顯微組織形貌

               進一步觀察熱影響區的顯微組織形貌,如圖5所示,可見熱影響區中接近焊縫區的組織為粗大的馬氏體,是焊接過程高溫導緻奧氏體晶粒粗化而形成的過熱區,這一區域晶界脆性較大;向内組織逐漸轉變為由細小馬氏體組成的細晶區;靠近母材區組織是由細小馬氏體和顆粒狀鐵素體組成的混合組織,為不完全淬火區,具有一定的強度和韌性。

          圖5 熱影響區的顯微組織形貌

                對圖5所示熱影響區中的過熱區放大觀察,如圖6所示,在粗大馬氏體組織内發現了沿晶分布的裂紋缺陷,可判斷為應力斷裂。

          圖6 熱影響區的過熱區顯微組織形貌

               進一步放大觀察圖4所示帶有焊縫的試樣,如圖7所示,可見在熱影響區和焊縫區的界面處有一條寬度約30μm 的深色焊接熔合帶,帶内存在雜質富集的現象,可進一步判斷銷軸斷裂起始于熱影響區的過熱區與焊縫區的界面處。

           

          圖7 焊縫區和熱影響區界面處的顯微組織形貌


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