张健

国家再制造机械产品质量监督检验中心 山东泰安 271000

1 序言

某公司新设计了一种支撑挚子，用于压缩弹簧。采用42CrMo圆钢锻造成板状粗加工后进行调质处理，主要工序为：锻造→粗加工→调质→精加工→发黑。在试用过程中发生低周疲劳断裂，运行50次左右即发生断裂，如图1、图2所示。

图1 试样开裂情况（侧面）

图2 试样开裂情况（正面）

根据设计要求，零件夹持弹簧处于“凸”形卡槽内（见图1），B侧施加向下的力压缩弹簧，后松开回复原位。首先可以确定 “凸”形两侧采用了直角设计，没有倒角或圆角，该设计容易在夹角处产生应力集中，因此零件存在设计不合理之处。从图2可以看出，两侧断口中间各有一条深灰色的条状痕迹，贯穿整个断口，其余断裂位置为灰白色，灰色条纹下方可看到条带状纹路，判断是疲劳条带[1]，灰色条带属于裂纹源。零件夹角处受力状况最为恶劣，断裂一般发生在此处，但此次断裂却先发生在材料内部，夹角处最后断裂，断裂原因需进行检测分析。

2 理化检测

2.1 成分检测

依据GB/T 3077—2015 《合金结构钢》要求，采用真空直读光谱仪对断口试样成分进行检测，结果表明，样品成分符合标准中42CrMo钢成分要求（见表1），可以排除混料因素。

表1 断口样品的化学成分（质量分数） （%）

2.2 断口检测

用断口观测仪对断口进行观测，如图3所示。从图3可以看出，裂纹源即观测到的深色条纹区域，放大后可以发现与裂纹源平行的疲劳条带（见图4），疲劳条带在下侧非常明显（靠近夹角处，见图1中A侧），上侧则不明显（远离夹角处，图1中B侧）。疲劳弧线基本平行于裂纹源，间距相对稀疏，数量少，属于典型的低周疲劳断裂宏观断口形貌。

图4 裂纹源下方的疲劳条带

图3中裂纹源的组织形貌在扫描电镜下分为两类：2区在深色条纹中间，正中心部分为准解理断裂[2]，周围包裹韧窝断裂（见图5），准解理断口上可明显看出河流花样的条纹，并伴随有明显的撕裂棱和韧窝带，每个准解理断裂基本发生在一格晶粒内部（见图6）；1区大部分为准解理断裂，伴生有部分韧窝带和撕裂棱，没有被韧窝断裂包裹（见图7）。图8所示为裂纹源和疲劳条带区交界处，二者之间有一条20μm左右的韧窝带。图9所示为疲劳条带区，在疲劳断裂过程中，呈现波浪形，条带表现为非常光滑的韧性断裂。在最终瞬断区全部为韧窝断裂（见图10）。

图3 条状区域断口微观形貌

图5 裂纹源正中心的断口形貌

图6 裂纹源正中心的断口局部放大

图7 裂纹源远离中心的断口形貌

图8 裂纹源与疲劳条带交界处

图9 疲劳条带形貌

图10 瞬断区形貌

2.3 金相检测

沿零件长度方向，垂直于裂纹源截取试样进行镶嵌，抛光后经4%硝酸酒精溶液腐蚀，宏观观测发现存在组织偏析，分深色和浅色两相区域，两相组织犬牙交错，沿零件的长度方向分布（见图11），但在裂纹源附近深色组织方向明显有变化，偏向裂纹源方向。将金相样品调整方向（即图12的底侧），垂直于零件长度方向，镶嵌抛光腐蚀后发现，其靠近零件外表面组织相对均匀，内部同样出现组织偏析，如图12所示。裂纹源附近金相组织如图13所示，从中可以发现，裂纹源处是大块的深色组织，裂纹源的上下两侧是浅色组织。放大后发现，深色组织主要为索氏体组织和少量游离铁素体，而浅色区域主要为铁素体上分布岛屿状渗碳体，并伴有深色的索氏体（见图14）。

图11 零件长度方向，垂直于裂纹源金相形貌

图12 垂直于零件长度方向金相形貌

图13 裂纹源附近金相组织

图14 组织偏析形貌

2.4 硬度检测

对样块进行洛氏硬度检测，发现硬度为24～30HRC，硬度值波动幅度偏大。金相检测后分别对白色和深色区域进行显微硬度检测，经多点测量，发现两相的硬度并不均匀。基本规律为，浅色区域的硬度较深色区域的硬度高40～50HV（见图15）。

图15 两相组织显微硬度

3 疲劳断裂原因分析

据厂家提供的参数，零件之所以采用直角设计，是因为所用弹簧最大压缩力值为430N±43N，远低于零件设计强度，直角设计便于加持。但是在实际应用中，弹簧的压缩频率很高，零件实际受设备下压力和弹簧回弹力，其中设备下压力要远比弹簧回弹力高，因此零件夹角处容易产生应力集中现象，故零件采用直角设计是失效的重要原因之一，此断裂容易从夹角处率先开裂，但此次从零件拐角处正中心开裂，说明其心部强度不足。

根据断口的宏观形貌和金相组织可以发现，零件近表面组织均匀，但内部组织偏析严重。根据厂家提供的资料，此零件是先采用圆钢进行锻造成板状，再进行粗加工和调质处理。从工艺看，在母材即出现组织偏析的可能性较大，推断锻造过程中外表层变形充分，使表面组织均匀性有所改善，但心部变形相对不足或锻造温度控制不当，导致心部偏析没有得到消除，反而随变形被压扁拉长。

从金相组织和硬度看，深色区域和浅色组织明显不同，两区域硬度有一定的差异，深色区域硬度低，说明强度偏低。此次裂纹源发生在硬度偏低的深色区域内，且从图11可以看出，裂纹源处的深色组织区域方向性明显不同，其余组织方向都沿着长度方向，此处偏向外侧，说明零件受到交变应力时，强度偏低的深色区域无法抵挡变形，先发生准解理断裂，此后在交变应力作用下，发生疲劳开裂。由于拐角内侧（图1中A侧）同时受弹簧回弹力和外加压力作用，导致裂纹源拐角侧的疲劳条带更为明显，远离拐角一侧只受弹簧的回弹力，受力小，故变形小，疲劳条带不明显。

4 结论与建议

1）通过以上分析得出，由于材料内部组织偏析严重，导致承载性能下降，在外加压力和弹簧支撑力的交替作用下，发生疲劳断裂，是零件失效的主要原因；零件采用直角设计，在拐角处容易产生应力集中现象，是疲劳失效的重要原因。

2）采用加大镦锻次数和镦锻比，做好始锻和终锻温度的控制，可以有效改善组织偏析[3]；锻造之后需要加入正火工序，来均匀组织，细化晶粒，但此次组织偏析严重，已经不是正火能彻底解决的[4]，还需要加强对原材料的品控管理。另外，在设计中零件结构过渡处需圆滑，或预留足够的倒角，避免尖角的出现，以防止出现应力集中现象。