38CrMoAlA十字头销断裂原因分析

赵双双 勾洋洋 杜文乐 浦一凡

摘 要：针对某38CrMoAlA十字头销运行过程中发生断裂破坏，利用化学成分分析、力学性能测试、金相分析等方法对其进行了失效分析。结果表明：该十字头销的断裂为大应力低周疲劳断裂。

关键词：十字头销;断裂;38CrMoAlA;调质

0引言

由某公司十字头销在运行三个月后发生断裂。原材料为38CrMoAlA合金钢，热处理条件为调质处理。产品执行JB/T 6908-2006《容积式压缩机用钢锻件》标准。为了分析十字头销断裂的原因，现对其进行化学成分、金相组织、力学性能等检验分析[1-5]。

1化学成份及力学性能复检

在断裂的十字头销件上取样，采用德国OBLF QSN750-Ⅱ型真空直读光谱仪进行化学成分检测。检测标准为GB/T 4336-2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》。检测结果见表1，表1中同时列出了JB/T 6908-2006中38CrMoAl标准值。表明试件的化学成份符合标准要求。

2十字头销宏观检测

图1为十字头销断口宏观形貌。受油孔分隔，断面分4个扇形区域，每个区域都是一个单独的断口。其中两个相邻的断口为典型疲劳断口，另两个相邻断口为大载荷快速断裂断口。疲劳断口部分如见图2所示，贝壳状花纹清晰可见，断口呈明显的疲劳断裂特征，断裂性质为大应力低周疲劳。在疲劳断口上，观察可见多个裂纹源，说明应力集中系数越大。名义应力越高，疲劳源出现的数目就越多。疲劳源主要位于十字头销外表面，在销钉孔的外沿的倒角部位。

图中宏观断口检测，疲劳源附近的渗氮层有脆性剥离现象，渗氮层由外表面向基体有多条裂纹，见图3，图4。观察十字头销轴向形貌，发现有一些平行的摩擦痕迹，蓝灰色氧化膜的出现意味着有局部过热现象，见图5。

除了两个疲劳断口区域外，另两个区域为销钉最后断裂的区域，为服役中后期因疲劳开裂的原因使销钉有效截面积显著减小，大应力导致的断裂。

3十字头销微观组织检测

在断裂十字头销断裂面附近横截面取样，按照GB/T 226-2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》，用1∶1盐酸水溶液腐蚀观察其宏观形貌，依据GB/T 1979-2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》评定，属于一般疏松0.5级，中心疏松0.5级，锭型偏析0.5级。符合标准要求。

将断裂件上取样检测试样的非金属夹杂物。将金相样品进行预磨、精磨、抛光，然后在德国蔡司Axio Observer Z1M光学显微镜下观察，按照GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》进行检测，检测结果见表3。

使用3%硝酸酒精溶液对金相试样进行腐蚀。进行晶粒度、微观组织检测。依照GB/T6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》，试样的晶粒度为6级，组织为带有马氏体取向的回火索氏体组织。调质后组织见图6。样品的氮化层厚度在0.4mm左右，见图7。

4检测分析结论

在故障件上取样，采用直读光谱仪、金相显微镜、显微硬度计等检测方法，对38CrMoAlA合金钢材料的化学成分、非金属夹杂物、显微组织和裂纹形貌等项目进行了检验分析。并测试了其材料的力学性能。材料的化学成分符合标准要求，力学性能基本合格（冲击值略低于国标，但达到行业标准）。

十字头销表层渗氮层厚度为0.4mm。

十字头销断裂特征为大应力低周疲勞断裂。其断裂原因为，在十字销工作过程中，因冲击载荷等过载或大应力过程，损伤销钉表面，以及在表层产生周期性的拉压应力和应变，促使渗氮层发生了分层和开裂。表层裂纹形成了应力集中，在大应力交变作用下裂纹将快速扩展。当裂纹扩展到一定程度后，在载荷作用下销钉发生形变，因形变造成销钉与衬套摩擦出现磨损痕迹;由形变造成的异常磨损和形成的局部的扭转应力，加速了十字头销的疲劳断裂。

参考文献

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[2] 梅凯，储晓明.40CrNiMo曲轴断裂原因浅析[J].现代冶金，2019，47（5）：31-34.

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