您當(dāng)前的位置：檢測(cè)資訊 > 檢測(cè)案例
嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-10-21 15:59
在隨車吊機(jī)作業(yè)過程中，某集裝箱吊裝落地就位后，機(jī)械臂與液壓桿連接處銷軸突然斷裂，機(jī)械臂脫離液壓桿，一端砸向集裝箱，造成集裝箱頂部塌陷。銷軸斷裂成兩截，斷裂位置大概位于銷軸的中間處（見圖1），其中一截已脫落，另一截掛在機(jī)械臂上。作業(yè)時(shí)隨車吊機(jī)未出現(xiàn)超載、超范圍等違規(guī)操作。銷軸材料為42CrMoA鋼，斷裂銷軸直徑約為100mm，長(zhǎng)度約為280mm，整根銷軸長(zhǎng)度為553mm。研究人員采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了該銷軸的斷裂原因，以避免該類問題再次發(fā)生。
1、理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
斷裂銷軸宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：銷軸表面及斷口上可見大量的黑色油污，斷裂位置為銷軸中間部位。
斷裂銷軸清洗后宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：銷軸表面锃亮，在近螺紋端處可見面積大小不一的黑色凹坑，在另一端近斷口處局部可見長(zhǎng)短不一的環(huán)向條紋，條紋區(qū)域長(zhǎng)度約為7mm，環(huán)向?qū)挾燃s為60mm，其他位置未見明顯類似的環(huán)向條紋；斷口表面較為平整，斷口外表層存在環(huán)繞一圈的平整臺(tái)階，臺(tái)階寬度大小不一，臺(tái)階區(qū)域?yàn)橛不瘜訁^(qū)域；斷口可見兩處面積大小不一的背擴(kuò)紋，呈雙源疲勞斷口形貌特征，疲勞源1位于背擴(kuò)紋區(qū)域面積較大的一側(cè)，疲勞源2位于對(duì)面背擴(kuò)紋區(qū)域面積較小的一側(cè)，疲勞源分別從銷軸兩側(cè)萌生并由外向內(nèi)擴(kuò)展，最終斷裂區(qū)位于偏向一側(cè)的銷軸內(nèi)部；兩側(cè)背擴(kuò)紋面積大小不一，表明銷軸兩側(cè)受到的應(yīng)力大小不一致，裂紋擴(kuò)展的時(shí)間也不一致；疲勞擴(kuò)展區(qū)平整，最終斷裂區(qū)凹凸不平。
將斷裂銷軸表面置于體視顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：近螺紋端處可見黑色凹坑，黑色凹坑的產(chǎn)生原因?yàn)楸砻驽冦t層剝落；疲勞源2處銷軸表面周向區(qū)域有不規(guī)則的環(huán)形條紋，疲勞源1處未見不規(guī)則的環(huán)向條紋。
將銷軸斷口置于體視顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：疲勞源1附近硬化層起裂源位于銷軸表面邊緣處，起裂源區(qū)平整，裂紋分別向兩邊沿著圓周方向呈人字形擴(kuò)展，最終匯集于銷軸對(duì)側(cè)的硬化層處，裂紋終點(diǎn)可見高低不平的臺(tái)階。
1.2 化學(xué)成分分析
在銷軸斷口附近截取試樣，對(duì)試樣進(jìn)行清洗、干燥、打磨處理，采用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)42CrMoA鋼的要求。
采用X射線熒光光譜儀對(duì)銷軸外表面鍍層進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知：表面鍍層主要含有Cr元素。
1.3 金相檢驗(yàn)
分別在銷軸疲勞源1位置附近、疲勞源2位置附近及心部截取縱截面試樣，對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕處理，利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣。
疲勞源1位置附近顯微組織形貌如圖6所示。由圖6可知：試樣由表面向心部的組織依次為白亮層（鍍鉻層）、回火馬氏體（淬硬層組織）、回火索氏體+ 少量塊狀鐵素體（基體組織）；白亮層厚度分布較為均勻，約為24μm。
疲勞源2位置附近顯微組織形貌如圖7所示。由圖7可知：試樣由表面向心部的組織依次為白亮層（鍍鉻層）、回火馬氏體（淬硬層組織）、回火索氏體+ 少量塊狀鐵素體（基體組織）；白亮層厚度較為均勻，約為24μm。
銷軸心部顯微組織形貌如圖8所示，可見試樣心部的組織為回火索氏體+少量塊狀鐵素體。
1.4 硬度測(cè)試
在銷軸橫截面外取樣，將試樣打磨、拋光后，對(duì)試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，結(jié)果如表3所示。
分別在疲勞源1和疲勞源2區(qū)域附近截取試樣，將試樣打磨、拋光后，對(duì)試樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，結(jié)果如表4，5所示。
1.5 掃描電鏡 (SEM) 及能譜分析
在銷軸斷口處截取試樣，將試樣清洗、干燥后，將試樣置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：試樣淬硬層區(qū)起裂源位于銷軸外表面邊緣處，該區(qū)域斷面平整；起裂源區(qū)靠近斷口邊緣處受到明顯的擠壓、磨損等損傷；淬硬層區(qū)裂紋擴(kuò)展區(qū)可見裂紋呈人字形快速擴(kuò)展形貌特征，裂紋沿銷軸四周呈環(huán)狀擴(kuò)展；斷面可見韌窩形貌，局部可見沿晶開裂形貌。
疲勞源1位于銷軸環(huán)形裂紋根部，該區(qū)域斷面平整，裂紋由邊緣向心部擴(kuò)展，靠近斷口邊緣處存在明顯的擠壓、磨損等損傷，疲勞源1表面可見非金屬附著物（見圖10）。對(duì)該附著物進(jìn)行能譜分析，可知附著物主要為含有Si、Fe元素的氧化物，還含有少量Al、Ca、Na 等元素（見圖11）。
疲勞源2同樣位于銷軸環(huán)形裂紋根部，該區(qū)域斷面平整，裂紋由邊緣向心部擴(kuò)展，靠近斷口邊緣存在明顯的擠壓、磨損等損傷（見圖12）。裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌以韌窩形貌為主，裂紋快速擴(kuò)展區(qū)以解理形貌為主，斷面上可見大量平行的圓弧貝擴(kuò)紋，呈低周疲勞斷口形貌特征[ 見圖13a），13b）]。最后瞬斷區(qū)為扇形解理形貌，呈快速撕裂形貌特征[ 見圖13c），13d）]。
對(duì)銷軸斷口附近表面進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖14所示。由圖14可知：斷口附近表面可見平行的條狀凹坑，為表面鍍鉻層剝落所致；條狀凹坑底部較為平整，鍍鉻層脫落后呈片層狀形貌特征，斷面上局部伴生二次裂紋；其他區(qū)域表面鍍鉻層完好，未見明顯脫落及凹坑，局部可見結(jié)疤狀鍍層附在表面；相鄰的鍍鉻層間可見明顯的帶狀溝槽，表面局部可見點(diǎn)狀凹坑。
2、綜合分析
由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：銷軸母材的化學(xué)成分分析結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，銷軸表面主要成分為Cr元素；銷軸心部的布氏硬度為243.6HBW，符合銷軸的加工工藝要求。
銷軸表面淬硬層與心部硬度存在較大差異，心部硬度較為均勻。銷軸硬度分布情況與其加工工藝及顯微組織分布吻合。疲勞源1與疲勞源2處淬硬層硬度存在一定差異，不同位置淬硬層硬度分布不均，厚度分布也不均，淬硬層深度為1.80~2.30mm。銷軸不同位置的淬硬層硬度及厚度分布不均導(dǎo)致銷軸表面的內(nèi)應(yīng)力分布不均。淬硬層脆性較大，裂紋易向心部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致銷軸斷裂。
淬硬層起裂源位于銷軸外表面邊緣處，裂紋快速向兩側(cè)擴(kuò)展，最后發(fā)生環(huán)向一周開裂現(xiàn)象。斷口上可見兩處面積大小不一的背擴(kuò)紋，呈雙源疲勞斷口形貌特征，疲勞源分別從兩側(cè)次表面邊緣處萌生，并由外部向內(nèi)部擴(kuò)展，最終斷裂區(qū)位于偏向一側(cè)的銷軸內(nèi)部。
銷軸外表面硬化層（鍍鉻層+淬硬層）為最先開裂位置，起裂源位于銷軸外表面邊緣處，裂紋呈人字形快速擴(kuò)展形貌特征，裂紋沿著銷軸四周呈環(huán)狀擴(kuò)展，發(fā)生一次性周向開裂現(xiàn)象。兩處疲勞源區(qū)均位于銷軸次表面邊緣處，裂紋由邊緣向心部擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展區(qū)以韌窩形貌為主，裂紋快速擴(kuò)展區(qū)以解理形貌為主，斷面上可見大量平行的圓弧貝擴(kuò)紋，呈低周疲勞斷口形貌特征。最后瞬斷區(qū)為扇形解理形貌，為快速撕裂形貌特征?？拷鼣嗫谶吘壧幋嬖诿黠@的擠壓、磨損等損傷，符合疲勞斷口形貌特征。
在工作過程中，銷軸主要承受循環(huán)彎曲載荷，最大彎曲應(yīng)力應(yīng)在銷軸中間位置一側(cè)的表面上。銷軸表面鍍鉻層和淬硬層均具有較高的強(qiáng)度和硬度，但韌性較差。鍍鉻層間的帶狀溝槽、剝落后形成的凹坑及剝落過程中產(chǎn)生的伴生二次裂紋均會(huì)在銷軸外表面形成應(yīng)力集中區(qū)，裂紋在銷軸外表面應(yīng)力集中處萌生，沿淬硬層周向向兩邊快速擴(kuò)展。周向裂紋在交變載荷作用下，沿作用力方向擴(kuò)展，形成雙源疲勞開裂。當(dāng)銷軸剩余有效強(qiáng)度不足時(shí)，銷軸發(fā)生一次性快速斷裂。
3、結(jié)論
銷軸斷裂原因?yàn)椋涸谶\(yùn)行過程中，銷軸外表面應(yīng)力集中處萌生裂紋，裂紋沿淬硬層周向向兩邊快速擴(kuò)展，并匯合導(dǎo)致表面一周開裂；在交變載荷作用下，周向裂紋沿作用力方向擴(kuò)展，形成雙源疲勞開裂；當(dāng)銷軸剩余有效強(qiáng)度不足時(shí)，銷軸發(fā)生一次性快速斷裂。
作者：閆貞，邱康勇，賀艷
單位：深圳市質(zhì)量安全檢驗(yàn)檢測(cè)研究院
來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2024年第7期
來(lái)源：理化檢驗(yàn)物理分冊(cè)
