一起起重机械销轴断裂的失效分析

郑 伟

（江苏省特种设备安全监督检验研究院徐州分院，江苏徐州 221000）

0 引言

销轴是一类标准化的紧固件，既可静态固定连接，亦可与被连接件做相对运动，主要用于两零件的铰接处，构成铰链连接。销轴通常用开口销锁定，工作可靠、拆卸方便。在起重机械的销轴较常用材料为35CrMnSiA 钢，此类钢材经适当的热处理后可得到强度、硬度、韧性和疲劳强度较好的综合力学性能，能适应生产较复杂的工况条件。

1 事故概况

2020 年11 月某公司一台起重机械在运行过程中传动销轴发生断裂，设备无法运行。查阅相关资料显示，该销轴材料为35CrMnSiA，热处理方式为整体淬火加中温回火，表面硬度要求为40～45 HRC。

2 原因分析

现场对断裂检查如图1 所示。

图1 断口宏观形貌

2.1 宏观检验分析

销轴断口表面具有明显的颜色差异，深色与浅色过度明显，深色部分表面有油渍存在。根据断口形貌可以初步判断出断裂起始位置及最后断裂区域位置：裂纹起始位置位于锥底螺纹孔的顶角部位，是螺纹孔与锥底交界位置，属于变截面；最后断裂区域为浅色边缘。

2.2 化学成份分析

对该销轴进行光谱化学成分测试，结果见表1。

表1 化学成分 %

结果表明，该销轴化学成分符合GB/T 3077—2015 要求。

2.3 金相组织分析过程

线切割取样、打磨、抛光、腐蚀。对该销轴断口进行线切割取样，共取3 个样，1#试样选取的是横截面，2#、3#试样选取的是纵截面，分别对1#、2#、3#试样进行打磨、抛光、腐蚀。

采用200×、500×金相显微镜进行拍照和观察，如图2～图4 所示。

图2 3#试样金相组织

图3 2#试样金相组织

图4 1#试样金相组织

从试样腐蚀后的表面情况结合金相组织可以得出：

（1）原材料存在带状组织偏析，成分不均匀。

（2）3#试样组织为回火索氏体，组织正常。

（3）2#试样组织变化显著，由外向内，黑色组织逐渐增多、灰色组织逐渐减少、白亮色组织也逐渐增多且趋向于网状。在200倍及500 倍情况下可以看出，黑色组织为珠光体，灰色组织为回火索氏体，白亮色网状组织为沿晶界析出的铁素体。

在淬火加热过程中，由于加热温度偏低，内部当珠光体转变成奥氏体时，铁素体尚未完全溶解，有极少量铁素体残留晶界处；而当淬火冷却时，内部又因冷却缓慢，以致沿未溶铁素体晶界析出细片状珠光体以及网状铁素体，且越往内部越多；另一部分过冷奥氏体则在淬火时形成淬火马氏体组织，这种组织属于不完全淬火组织。淬火温度低、奥氏体化不完全、冷却速度慢，是2#试样组织变化显著的原因，此时淬火对工件的硬化作用未充分发挥。

（4）1#试样中存在网状铁素体、大量块状铁素体、珠光体组织以及回火组织。白色块状铁素体是由于淬火加热时温度偏低，未达到铁素体向奥氏体完全溶解的温度；网状铁素体、珠光体则是冷却缓慢造成；故淬火后，组织中存在大块未溶解铁素体，属于淬火欠热组织。这种半奥氏体化的组织状态，将明显影响材料的硬度和强度。

2.4 硬度测试

对该销轴沿半径方向进行硬度测试（图5），其硬度分布见表2。

图5 硬度测试位置

表2 硬度测试结果

硬度测试结果表明：近表面硬度为43.6 HRC，而1/2 半径处的硬度为28.2 HRC 近表面硬度符合要求，1/2 半径处的硬度较低。

3 事故结论

（1）断裂位置处在易产生应力集中的变截面。

（2）销轴材料存在一定带状组织及偏析。

（3）销轴金相组织属于淬火缺陷组织，原因是淬火时温度低、奥氏体化不完全、冷却速度慢等综合因素导致。

（4）销轴1/2 半径处的硬度较低。

综合以上实验分析该销轴断裂属于淬火应力开裂。由于淬火时温度低，造成金相组织缺陷，硬度较低，运行过程中在应力集中区域产生断裂。

4 建议措施

（1）加强对钢材生产工艺过程质量监控，严格控制生产工艺过程材料成分的均匀度。

（2）加强热处理管理，采用等温淬火热处理工艺，提高该销轴的淬火加热温度，使奥氏体完全稳定化。选用合适的淬火介质，适当增大淬火过程中冷却速度，加深淬硬层深度，提高芯部硬度，从而减少淬火裂纹。

（3）改善几何尺寸不连续过渡区的设计制造，减少应力集中。