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40Cr低合金結構鋼重載車軸斷裂失效分析
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-01-07
正常條件下，熱軋供應狀態下的40Cr低合金結構鋼具有較高的塑性、韌性，而在熱軋、調質熱處理后，其綜合力學性能應會得到顯著改善，尤其是屈服強度、塑性和韌性應較高。
某型重載車軸原材料為40Cr低合金結構鋼，原材料的供應狀態為熱軋狀態，車軸的生產工藝為：工頻加熱→初軋→工頻加熱→終軋→軋后空冷→調質熱處理→熱矯直→機加工，工頻加熱爐的形狀均為圓柱狀，加熱線圈為圓弧狀，初、終軋采用軋輥方式，初軋后在軸頭與軸管相連處形成弧度。淬火采用可控氣氛爐加熱，淬火爐允許使用的上限溫度為1100℃。在車軸熱矯直時，在軸頭附近易發生斷裂。通過對車軸的化學成分、力學性能、金相顯微組織進行檢測，對車軸斷裂的原因進行了分析。
研究表明，金屬工件發生脆性斷裂的原因有很多，包括材料本身較脆，環境致脆（氫脆、應力腐蝕、液態金屬脆）等。由于工件表面與環境接觸，環境致脆所導致的斷裂失效易從表面或亞表面起始。一般情況下，氫脆易從亞表面起源，而應力腐蝕和液態金屬致脆則總是從表面起源。由檢測可知，車軸的斷面上未發現低熔點金屬，因此可排除液態金屬致脆的可能性。對端口形貌的研究亦可排除應力腐蝕和氫致脆性和環境致脆所致斷裂的可能性，由此判斷，車軸的斷裂應與車軸材料本身較脆有關。
正常條件下，熱軋供應狀態下的40Cr低合金結構鋼具有較高的塑性、韌性，而在熱軋、調質熱處理后，其綜合力學性能應會得到顯著改善，尤其是屈服強度、塑性和韌性應較高，車軸本身之所以發生脆性斷裂，其原因有以下幾種可能：
????（1）原材料存在嚴重的過熱組織；
????（2）工頻加熱時存在工藝不完善或失控，工件局部出現了短暫超溫等現象，導致材料產生了嚴重的過熱組織；
????（3）淬火熱處理時出現了短暫超溫，導致材料產生了嚴重的過熱組織；
????（4）原材料存在較多的低熔點夾雜；
????（5）熱矯直時應力過大；
????（6）淬火工藝不合理，淬火應力較大。
正常條件下，車軸熱軋后的晶粒應是較為細小均勻的，車軸的基體組織之所以出現嚴重的過熱組織，其原因是終軋前的工頻加熱過程中出現溫度失控，與車軸的制造工藝不當有關。當金屬坯料最大界面的表層到達工藝要求溫度上限時，金屬坯料最小截面的表層溫度尚未達到工藝要求的溫度，此時若加熱持續的時間稍微延長，金屬最大截面的表面溫度就會升高，導致晶粒粗大而致過熱，如加熱時間延長或加熱溫度再升高，接近其臨界熔化溫度，產生了過燒組織，產品就會報廢。
????應對措施主要是改進車軸制造工藝，采用圓柱形工頻加熱爐加熱時，可將原工藝改為：工頻加熱→初軋成形→軋后空冷→調質熱處理→熱矯直→機加工；若仍采用原工藝，則終軋前工頻加熱爐的爐腔形狀應與軸頭形狀類似。另外，過熱嚴重的車軸應報廢。
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