20CrNiMo鋼屬于低碳合金鋼，常用于制造中小型汽車、拖拉機的發動機和傳動系統中的齒輪。擺線液壓馬達聯動軸，在馬達壽命試驗時發生斷裂。該型聯動軸在進行壽命試驗時，承受扭矩為600N·m，轉速180r/min，壽命要求＞60h，此次壽命試驗共測試3次，均在6~8h出現了斷裂，為此與以往的齒面疲勞磨損導致的失效形成進行了對比。現對其中1根斷裂的聯動軸進行原因分析。該零件由20CrNiMo鋼棒料加工制造，其生產工藝流程為：下料→車削→滾齒→熱處理→拋丸→清洗→成檢。
一、檢驗過程與結果
聯動軸斷裂宏觀形貌如圖1所示，聯動軸在反復扭轉應力作用下，軸心部有少量的塑性變形，扭轉斷口與軸向呈45°角，斷口部分呈鋸齒狀，結合失效時間，初步判定為扭轉疲勞斷裂。
圖1 聯動軸斷裂宏觀形貌
對該聯動軸化學成分進行分析，結果見表1。化學成分符合要求。
表1 化學成分（質量分數）檢測結果 （%）
項目 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Cu |
零件 | 0.19 | 0.20 | 0.85 | 0.015 | 0.018 | 0.54 | 0.46 | 0.22 | 0.04 |
標準 | 0.17~0.23 | 0.17~0.37 | 0.60~0.95 | ≤0.030 | ≤0.030 | 0.40~0.70 | 0.35~0.75 | 0.20~0.30 | ≤0.30 |
該零件技術要求：表面硬度57~62HRC，心部硬度30~45HRC，有效硬化層深度為0.6~0.9mm。該聯動軸表面硬度59~60HRC，心部硬度35~37HRC，有效硬化層深度為0.79mm，符合技術要求。該零件熱處理金相組織要求：表層回火馬氏體≤5級，殘留奧氏體≤5級，碳化物≤3級。如圖2所示，該聯動軸表層回火馬氏體為5級，殘留奧氏體為5級，碳化物為1級，符合技術要求。對斷口處進行非金屬夾雜物的檢測（見圖3）測試結果：A1.0，B3.0，C0.5，D3.0，DS0.5，發現斷口附近有大量B類、D類非金屬夾雜物。
圖2 金相組織
圖3 非金屬夾雜物的檢測
二、分析與討論
綜上檢驗結果分析，該20CrNiMo鋼聯動軸的化學成分、硬度、熱處理金相組織均符合技術要求，非金屬夾雜物級別過高。其中，回火馬氏體及殘留奧氏體級別偏上限。研究表明，一定含量的殘留奧氏體反而能松弛鋼中的應力、沖擊吸收能量，緩沖相變馬氏體的沖擊力，減少顯微裂紋，增強抗疲勞性能。另外，鋼中非金屬夾雜物對疲勞性能的影響一方面取決于夾雜物的類型、數量、尺寸、形狀和分布；另一方面受鋼基體組織和性質制約，與基體結合力弱的尺寸大的脆性夾雜物和球狀不變形夾雜物的危害最大。該聯動軸斷口表層附近，發現大量的B類、D類非金屬夾雜物，本質上是脆性夾雜物。由于脆性夾雜物不能傳遞鋼基體中的應力，從而誘發疲勞裂紋，且脆性夾雜物在應力作用下會因碎裂而產生開裂，更易產生疲勞裂紋。聯動軸在反復的扭轉應力作用下，在這些脆性夾雜物附近產生多個疲勞源及微裂紋，裂紋沿與軸線呈45°的兩個方向發展，最終形成部分鋸齒狀斷面，導致聯動軸在測試過程中發生異常疲勞斷裂。
三、結論和建議
該型20CrNiMo鋼聯動軸壽命試驗發生早期斷裂的原因，是由于鋼中B類及D類脆性非金屬夾雜物級別過高導致的。因此，在以后的生產過程中，應加強對原材料非金屬夾雜物的檢測，嚴格執行驗收標準，見表2。通過上述措施，可解決聯動軸在壽命測試時發生異常斷裂的問題。
表2 非金屬夾雜物驗收標準 （級）
參考文獻：略。
作者：闞亞威
單位：鎮江液壓股份有限公司
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