20CrNiMo鋼屬于低碳合金鋼，常用于制造中小型汽車、拖拉機的發(fā)動機和傳動系統(tǒng)中的齒輪。擺線液壓馬達聯(lián)動軸，在馬達壽命試驗時發(fā)生斷裂。該型聯(lián)動軸在進行壽命試驗時，承受扭矩為600N·m，轉(zhuǎn)速180r/min，壽命要求＞60h，此次壽命試驗共測試3次，均在6~8h出現(xiàn)了斷裂，為此與以往的齒面疲勞磨損導致的失效形成進行了對比。現(xiàn)對其中1根斷裂的聯(lián)動軸進行原因分析。該零件由20CrNiMo鋼棒料加工制造，其生產(chǎn)工藝流程為：下料→車削→滾齒→熱處理→拋丸→清洗→成檢。
一、檢驗過程與結(jié)果
聯(lián)動軸斷裂宏觀形貌如圖1所示，聯(lián)動軸在反復扭轉(zhuǎn)應力作用下，軸心部有少量的塑性變形，扭轉(zhuǎn)斷口與軸向呈45°角，斷口部分呈鋸齒狀，結(jié)合失效時間，初步判定為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。
圖1 聯(lián)動軸斷裂宏觀形貌
對該聯(lián)動軸化學成分進行分析，結(jié)果見表1。化學成分符合要求。
表1 化學成分（質(zhì)量分數(shù)）檢測結(jié)果 （%）
項目 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Cu |
零件 | 0.19 | 0.20 | 0.85 | 0.015 | 0.018 | 0.54 | 0.46 | 0.22 | 0.04 |
標準 | 0.17~0.23 | 0.17~0.37 | 0.60~0.95 | ≤0.030 | ≤0.030 | 0.40~0.70 | 0.35~0.75 | 0.20~0.30 | ≤0.30 |
該零件技術要求：表面硬度57~62HRC，心部硬度30~45HRC，有效硬化層深度為0.6~0.9mm。該聯(lián)動軸表面硬度59~60HRC，心部硬度35~37HRC，有效硬化層深度為0.79mm，符合技術要求。該零件熱處理金相組織要求：表層回火馬氏體≤5級，殘留奧氏體≤5級，碳化物≤3級。如圖2所示，該聯(lián)動軸表層回火馬氏體為5級，殘留奧氏體為5級，碳化物為1級，符合技術要求。對斷口處進行非金屬夾雜物的檢測（見圖3）測試結(jié)果：A1.0，B3.0，C0.5，D3.0，DS0.5，發(fā)現(xiàn)斷口附近有大量B類、D類非金屬夾雜物。
圖2 金相組織
圖3 非金屬夾雜物的檢測
二、分析與討論
綜上檢驗結(jié)果分析，該20CrNiMo鋼聯(lián)動軸的化學成分、硬度、熱處理金相組織均符合技術要求，非金屬夾雜物級別過高。其中，回火馬氏體及殘留奧氏體級別偏上限。研究表明，一定含量的殘留奧氏體反而能松弛鋼中的應力、沖擊吸收能量，緩沖相變馬氏體的沖擊力，減少顯微裂紋，增強抗疲勞性能。另外，鋼中非金屬夾雜物對疲勞性能的影響一方面取決于夾雜物的類型、數(shù)量、尺寸、形狀和分布；另一方面受鋼基體組織和性質(zhì)制約，與基體結(jié)合力弱的尺寸大的脆性夾雜物和球狀不變形夾雜物的危害最大。該聯(lián)動軸斷口表層附近，發(fā)現(xiàn)大量的B類、D類非金屬夾雜物，本質(zhì)上是脆性夾雜物。由于脆性夾雜物不能傳遞鋼基體中的應力，從而誘發(fā)疲勞裂紋，且脆性夾雜物在應力作用下會因碎裂而產(chǎn)生開裂，更易產(chǎn)生疲勞裂紋。聯(lián)動軸在反復的扭轉(zhuǎn)應力作用下，在這些脆性夾雜物附近產(chǎn)生多個疲勞源及微裂紋，裂紋沿與軸線呈45°的兩個方向發(fā)展，最終形成部分鋸齒狀斷面，導致聯(lián)動軸在測試過程中發(fā)生異常疲勞斷裂。
三、結(jié)論和建議
該型20CrNiMo鋼聯(lián)動軸壽命試驗發(fā)生早期斷裂的原因，是由于鋼中B類及D類脆性非金屬夾雜物級別過高導致的。因此，在以后的生產(chǎn)過程中，應加強對原材料非金屬夾雜物的檢測，嚴格執(zhí)行驗收標準，見表2。通過上述措施，可解決聯(lián)動軸在壽命測試時發(fā)生異常斷裂的問題。
表2 非金屬夾雜物驗收標準 （級）
參考文獻：略。
作者：闞亞威
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