摩擦焊对接接头断裂失效研究

邓颖章，肖毅强，黄仔牛

（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

工程机械工作装置是工程机械三大组件之一，是用来完成特定工程作业的功能部件总成。连接轴是某工程机械工作装置中重要的连接零件，用于执行往复运动，驱动该工程机械完成相应工程作业。该连接轴分为头部和杆部两个部分。头部采用合金铸钢为原材料，杆部采用碳素结构钢为原材料，头部与杆部通过摩擦焊工艺焊接成连接轴整体，如图1所示。本次试制连接轴使用时间约为160 h，为早期断裂失效。断裂位置恰好为头部与杆部的摩擦焊连接位置，断裂处直径为90 mm。本研究针对该本次发生早期断裂的连接轴进行失效分析，找出断裂原因。

图1 连接轴断裂位置示意图

1 失效件理化检验分析

1.1 宏观断口分析

失效连接轴宏观断口形貌如图2所示，可观察到连接轴断口心部附近存在一个长直径约为10 mm的椭圆形粗糙区域，其周围存在明显地向四周放射状的撕裂纹，图2中断口下方有明显的剪切唇形貌。由连接轴宏观断口形貌特征可推测，失效连接轴裂纹起源于连接轴内部该椭圆形区域，随后裂纹向四周快速扩展，直至连接轴有效横截面积减少至无法承受外界载荷作用即发生脆性断裂，裂纹扩展方向如图3所示[1]。

图2 连接轴失效件断口形貌

图3 失效件断口裂纹走向

1.2 微观断口形貌分析

结合扫描电子显微镜对失效连接轴微观断口形貌进行辅助分析，可观察到断口裂纹源区内存在晶界裂纹、微裂纹等形貌，而晶粒内部的裂纹扩展方向不同，断面粗糙程度不均匀，如图4所示。断口裂纹扩展区为典型河流花样形貌，具有解理断裂形貌特征，并能观察到明显的撕裂纹[2]。

图4 失效件微观断口形貌

1.3 化学成分分析

利用线切割机床对连接轴失效件进行切割，在断口截面靠头部一侧1 mm处进行取样，利用直读光谱仪对失效件热影响区化学成分进行分析，其检测结果见表1。根据GBT3077-1999《合金结构钢》的要求，连接轴宏观断口裂纹扩展区附近的各项成分基本符合40Cr成分的要求，而裂纹源区附近的多项化学成分与标准出现偏差，化学成分不均匀，特别是含碳量达到0.97%，远高于0.37%～0.47%的正常值，存在严重的碳偏析缺陷。

表1 连接轴热影响区化学成分检测结果（w/%）

1.4 金相组织与显微硬度分析

利用线切割在断口裂纹源处附近沿连接轴头径向取样进行研磨和抛光，用4%（质量分数）硝酸酒精腐蚀后，利用金相显微镜对断口裂纹源表面及其附近组织进行金相组织观察。图5为连接轴断口表面，距断口表面不超过1 mm的内部在不同放大倍数下的显微组织。

由于连接轴断裂位置为头部与杆部的摩擦焊连接位置，该区域为摩擦焊热影响区，正常组织应为较均匀的珠光体或屈氏体组织。但从如图5中可以，裂纹源附近显微组织均为白亮部分组织与灰黑部分组织两部分相间而成，白亮部分为高碳针状马氏体组织，由于含碳量较高难腐蚀，表现出白亮基体的特征，而灰暗部分组织较为复杂，为不均匀分布的板条马氏体+屈氏体+残余奥氏体的混合组织[3]。

利用维氏硬度计进行显微硬度辅助分析，图5中白亮部分显微硬度在600 HV～650 HV之间，而灰暗部分的显微硬度在400 HV～500 HV之间，即针状马氏体组织与周围混合组织之间存在较大的硬度差，导致针状马氏体存在较高的组织应力，而观察到连接轴内部的微裂纹均位于其白亮部分组织中，可判断针状马氏体形成后，其组织应力释放在连接轴内部形成多条裂纹。

图5 连接轴失效件裂纹源附近金相显微组织图

通过扫描电子显微镜对连接轴断口组织进行进一步的观察，能够更加清晰观察断口表面附近针状马氏体中的裂纹形貌。如图6（a）（b）中，裂纹沿针状马氏体基体的通道内进行扩展，同时可见针状马氏体中存在许多微小的孔洞和微裂纹，见图6（c）（d）。进一步证明了连接轴断面附近的微裂纹主要与针状马氏体的组织应力释放有关[4]。

图6 连接轴失效件裂纹源附近微观组织形貌

1.5 头部铸造组织分析

利用线切割对连接轴失效件头部进一步解剖，在断口裂纹源靠头部侧5 cm处进行取样，通过解剖可确定该位置已在摩擦焊热影响区之外，其微观组织为连接轴头部的原始组织。通过对该截面试样的研磨、抛光和腐蚀之后，肉眼可观察到头部晶粒粗大，并存在发达的树枝晶结构，另外还能明显观察到一椭圆状灰色区域，如图7所示。利用金相显微镜对该灰色区域进行观察，如图8所示，从图中可见该区域基体组织为片层状的珠光体，同时观察有大量的白亮颗粒物聚集，并形成通道状的形貌，结合化学成分的检测结果，可判断该白亮颗粒物为渗碳体颗粒。而焊接热影响区内局部存在较高的碳化物聚集，将降低基体的断裂韧性[5]。

图7 连接轴内部树枝晶形貌

图8 头部内部渗碳体聚集形貌

2 分析与讨论

从上述分析可知，连接轴头部内存在明显的铸造碳偏析缺陷，局部含碳量达到0.97%，树枝晶发达，不符合本单位对头部的化学成分和微观组织的要求。碳偏析缺陷使得连接轴内部片层状珠光体基体上产生大量的渗碳体颗粒物，并发生聚集形成通道状组织形貌。随后在头部与杆部进行摩擦焊工艺进行连接后，连接轴摩擦焊区域被加热至奥氏体化温度以上再冷却，此时，由于碳偏析区域含碳量过高，该区域在冷却过程中形成了大量的针状马氏体，并表现出通道状的形貌特征，与周围不规则分布的板条马氏体+屈氏体+残余奥氏体混合组织形成较大的硬度梯度。而摩擦焊工艺中快热快冷使连接轴的部分碳偏析区域产生的针状马氏体具有较大的组织应力，随着其组织应力的逐渐释放，针状马氏体组织中产生许多微裂纹。在外加载荷的作用下，形成宏观断口裂纹源，并逐步扩展直至断裂。

3 结论

通过断口宏观形貌、微观形貌、化学成分、金相组织和硬度检测等分析手段，对失效连接轴进行综合失效研究，得出结论如下：

（1）本次连接轴断裂属于脆性断裂失效，与连接轴内部存在的早期裂纹有关，裂纹起源于连接轴摩擦焊内部缺陷组织。

（2）连接轴头部存在严重的碳偏析区域，由于碳偏析区域含碳量过高，在摩擦焊后快速冷却过程中，极易形成高应力针状马氏体，而针状马氏体的组织应力释放导致连接轴内部产生早期裂纹，是导致本次连接轴失效的主要原因。

（3）连接轴铸造头部化学成分控制不合格，连接轴局部化学成分差异较大，且内部晶粒粗大，也同样加速了连接轴的早期失效。