35CrMo托轮轴断裂原因分析
[摘要] 采用宏观、微观及SEM等分析方法，对35CrMo托轮轴断裂原因进行失效分析。结果表明，因托轮轴锻造过程中终锻温度过高，造成锻件严重过热，力学性能低下。当托轮轴运行时，在过热严重的轴心区域产生应力集中引发裂纹源，导致托轮轴瞬时脆性开裂。
[关键词] 托轮轴；锻件；过热；应力集中
1 引言
某公司生产的托轮轴在安装后的试运转过程中发生断裂。托轮轴为35CrMo锻件，锻造后经调质处理后使用。在该批次生产的8件托轮轴中，已有3根在安装后的试运转过程中断裂，其中1根断裂托轮轴的小头部分由使用现场运回检测（如图2所示）。
2、检验
2.1、宏观检验
现场断裂托轮轴宏观形貌如图1所示。轴断裂面在图下方，断裂位置如图箭头所示，在轴与托轮紧配合部位靠过渡台阶约80～100mm处沿径向开裂。断轴宏观形貌如图2～4所示。断口边缘表面除有明显挤蹭和齿形伤外（见图3～4箭头），无宏观塑性变形。表面伤痕是托轮轴最终断裂时仍处于运行状态所致。
图1 实物 图2 实物
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图3 实物 图4 实物
2.2、断口宏观检测
断裂托轮轴对应面断口宏观形貌如图5～6所示，原始断口污染较严重，清洗后断口形貌如图7～8所示。断裂源位于轴心部位置（如图5及图7箭头所示），并可见呈聚集状态存在颜色灰暗的无金属光泽区（见图8箭头）；断口平齐，由断裂源区向圆周方向扩展的放射状花样明显，表面较粗糙，显示瞬时脆性断裂特征；断裂扩展接近轴外表面时，可见最后断裂区存在轴转动时留下的轨迹及密排状扩展台阶。
图5 断口 图6 断口
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图7 断口 图8 断口 2.3、断口微观检测
断裂源区及附近的微观形貌如图9～12所示。图9～10为断裂源区形貌（其中图9箭头所示凹陷区为断裂源区），这一区域断口与扩展区断口（见图11～12）有明显不同，显示基体严重过热特征；断裂扩展区断口河流状花样粗大。
图9 断口 二次电子像 图10 断口 二次电子像
图11 断口 二次电子像 图12 断口 二次电子像
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2.4、低倍检测
低倍酸浸检测结果如图13所示，低倍组织显示靠心部区域存在点状偏析。表面调质层组织如图14所示，调质层较浅且不均匀（最浅调质层深度约为15mm）
图13 低倍组织 图14 表面调质层组织
2.5、显微组织检测
由表面至心部及断裂源区金相组织检测结果如图22～39所示。表层组织为回火索氏体＋网状铁素体，距表面10 mm及20mm处组织为回火索氏体＋珠光体＋网状铁素体。距表面30 mm至心部组织均为珠光体＋粗大的网状、针状及块状铁素体，依据GB/T 6392-2002标准评定晶粒度级别远粗于1级，为严重过热组织。
图14 表层组织 图15 表层组织
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图16 距表面20 mm处组织 图17距表面20 mm处组织
图18 距表面30 mm处组织 图19 距表面30 mm处组织
图20 心部组织 图21 心部组织
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图23 断裂源区组织 图24 断裂源区组织
3、化学成分分析
化学成分分析结果见表1，经与GB/ T3077-1999标准中35CrMo标准值比对，符合其标准规定。
表1 化学成分分析结果 元素名称 C Si Mn P S 检测值% 0.40 0.27 0.52 0.008 0.04 标准值% 0.32～0.40 0.17～0.37 0.40～0.70 ≤0.035 ≤0.035 元素名称 Cr Ni Mo Cu Ti 检测值% 0.86 0.083 0.16 0.074 0.020 标准值% 0.80～0.10 ≤0.30 0.15～0.20 — —
4、力学性能检测
依据JB/T5000.8-2007标准的相关规定，在断裂托轮轴上截取了力学性能样品进行检测，结果见表2，由表面至心部的硬度检测结果见表3。检测结果表明，冲击功AKU远低于技术条件规定，屈服强度也较低，硬度检测值除表面一点外，其余均不符合要求。
表2 力学性能检测结果与技术条件比对表 力学性能指标 Rm（N/mm2） Rp0.2（N/mm2） A（%） Z(%) 检测结果 技术条件 距表面（mm） 硬度（HBW） 距表面（mm） 硬度（HBW）
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AKU（j） 7、6 ≥23 120 190 300 188 HBW 详见表3 207～269 140 199 320 188 160 196 340 195 655 ≥590 315 ≥390 21 ≥12 36 ≥30 100 187 280 185 表3 硬度检测结果 5.0 20 40 60 80 235 190 184 184 187 180 200 220 240 260 196 190 193 201 192 5、分析与讨论
5.1、托轮轴断口显示瞬时脆性断裂特征。断裂源产生于托轮轴的轴心位置，该处断口存在无金属光泽的严重过热区域。
5.2、金相组织检测结果表明，晶粒度粗大，远粗于GB/T 6392-2002标准评定的最高级别1级，与断口检测结果吻合。说明锻件存在严重过热现象。轴外表面较薄区域为调质层区，该区虽有回火索氏体组织存在，但仍保留变化不大的铁素体组织，可以看出淬火加热温度及保温时间均不足，由此可推断，组织过热是由于锻造过程终断温度过高造成的。
5.3、力学性能检测结果显示，冲击功AKU远低于技术条件规定，符合材料严重过热特性。 5.4、托轮轴调质层较薄（即硬化层区过薄）且不均匀，调质层内铁素体组织无明显改善，除使轴的整体硬度较低外，还会直接影响材料的疲劳寿命。
结论
因托轮轴锻造过程中终锻温度过高，造成锻件严重过热，力学性能低下。当托轮轴运行时，在过热严重的轴心区域产生应力集中引发裂纹源，导致托轮轴瞬时脆性开裂。
参考文献
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[2] 金相检验 机械工业理化人员技术培训和资格鉴定委员会 编 上海科学普及出版社发行 2003.5.
[3] 材料分析方法 周玉 哈尔滨工业大学 机械工业出版社 2000.5.
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