硬化轴断裂的失效分析

黄佳建 张越 曾志斌

(广船国际计量检测中心)

0 前言

20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较好，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面、坚韧的心部和较高的低温冲击韧性。广泛用于轴类、活塞类零配件以及汽车、飞机上各种特殊零件部位。

某公司20CrMnTi硬化轴表面经过渗碳处理，设备运转不足两周，轴转角直角位处发生断裂，如图1所示。为分析其断裂原因，制定预防措施，避免此类事件再次发生，截取失效硬化轴样品进行化学成分分析、力学性能检测、断口分析、硬度测试和金相检验。

图1 失效硬化轴形貌

1 理化检测

1.1 化学成分分析

在断裂硬化轴上切取化学分析试样，采用美国热电ARL3460型火花直读光谱仪分析硬化轴的化学成分，如表1所示。对照GB/T3077-2015《合金结构钢》标准中20CrMnTi的技术要求，该硬化轴化学成分符合规范要求。

表1 化学成分（质量分数%）

1.2 力学性能检测

截取断裂硬化轴纵向样品，测试其室温拉伸、冲击性能，测试结果如表2所示，对照GB/T 3077-2015《合金结构钢》[1]标准中20CrMnTi的技术要求，该硬化轴断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收能量均符合规范要求，但其屈服强度、抗拉强度未达到规范要求。

表2 力学性能测试结果

1.3 断口分析

观察失效硬化轴断口，该断口表现较典型的旋转疲劳断口形貌，包含疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。

疲劳源区位于轴转角处的直角位，为一个以疲劳核心为焦点的光滑、致密区域，该区域扩展速度缓慢，在反复张开、闭合过程中断面逐渐被磨光。中部裂纹扩展区呈现明显的海滩状疲劳条纹，垂直于疲劳裂纹扩展方向，逐步向四周推进呈现弧形。……