实例-叉车转向轴断裂失效分析!

背景故事介绍

常用运输叉车转向轴在日常工作中发生断裂，引发极大的安全隐患，经调查得出该转向轴材质为45#钢，经过调质热处理后投入使用，断裂位置在轴套的一端，断口形貌如图1所示。

                

图1、裂纹宏观形貌(箭头指向断裂源)

断面呈灰色，两边断面较平整，中间断面较粗糙，有疲劳贝纹形貌，扩展区占百分之70%，终断区占30%，断裂源如图形貌如图1箭头所示，此试样断裂属双向弯曲疲劳断裂，源于圆弧表面角位。

1、化学成分分析

从断裂部位取样，用FOUNDRY-MASTER直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示。

表1 开裂部位的化学成分分析结果（质量分数）％

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu
内圈	0.46	0.23	0.58	0.014	0.003	0.04	0.01	0.03
外圈	0.45	0.21	0.54	0.019	0.009	0.06	0.03	0.08
规范值	0.42~0.50	0.17~0.37	0.50~0.80	≤0.035	≤0.035	≤0.25	≤0.30	≤0.25
判断	OK	OK	OK	OK	OK	OK	OK	OK

可见断裂部位的化学成分均符合GB699-88《优质碳素结构钢技术条件》45#钢成分的技术要求。

2 硬度测试

对断面试样进行硬度测试，测试结果如表2示。

表2 硬度测试结果

测试项目	洛氏硬度HRBW
内圈	97.5/97.8/97.7；平均值97.7
外圈	84.2/84.8/84.0；平均值84.3

3 金相检验

截取垂直于开裂面的剖面试样，经磨制、抛光、腐蚀后，使用BX53M型光学显微镜进行观察。

图2    非金属夹杂物(抛光态  100X)

图3   非金属夹杂物(抛光态  100X)

图4   内圈基体组织(4%硝酸酒精溶液侵蚀  100X)

图5  内圈基体组织(4%硝酸酒精溶液侵蚀  500X)

图6  内圈基体组织(4%硝酸酒精溶液侵蚀  500X)

图7  断面形貌(抛光态 12.5X)

图8  断面形貌(抛光态 100X)

图9  断面形貌(抛光态 500X)

图10  断面组织形貌(4%硝酸酒精溶液侵蚀  12.5X)

图11  断面组织形貌(4%硝酸酒精溶液侵蚀  100X)

图12  断面组织形貌(4%硝酸酒精溶液侵蚀  500X)

检测结果如表3所示。

表3 检测结果

测试项目	描述
非金属夹杂物	A0,B0,C0,D0.5；如图2及图3所示；
内圈基体组织	珠光体+索氏体+网状及块状铁素体，如图4~图6所示；
内圈晶粒度	8.5级；
断面处组织形貌	断面处抛光态形貌如图7~图9所示，断面未见氧化和其他缺陷，经侵蚀后如图10~图12所示，断裂源处为焊接热影响组织。

4. 分析与讨论

4.1  此试样化学成分符合45钢牌号之要求；

4.2  此工件内圈硬度为97.7HRBW,外圈硬度为84.3HRBW；

4.3  此试样断裂属双向弯曲疲劳断裂源于圆弧表面处；

4.4  此试样非金属夹杂物、晶粒度均正常；

4.5  此试样珠光体+索氏体+网状及块状铁素体，调质级别为8级，调质不理想；

4.6  此试样断面处未见氧化和其他缺陷，断裂源附近为焊接热影响组织；

4.7  表面有10.5um之镀铬层。

5.结论

此零件试样断裂属双向弯曲疲劳断裂源于圆弧表面角位处，主要原因为镀铬前有焊接且影响了材料的强度，易产生疲劳微裂纹，随着裂纹扩展及受力面积减小最终出现快速断裂。

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