十字销是机车内燃机上万向轴的重要组成部件，十字销断裂会给铁路行车带来一定的安全隐患。某机车十字销发生断裂。十字销材料为优质20CrMnTi合金钢，热处理工艺为渗碳淬火处理。研究人员采用一系列理化检验方法分析其断裂原因，以防止该类问题再次发生。
1、 理化检验
1.1 宏观观察
对断裂的十字销进行超声波清洗，清洗后的断口宏观形貌如图1所示。经肉眼观察，十字销断面有两处主裂纹源、两处次裂纹源(见图1中a区)，且断面上分布有疲劳条带。十字销的倒角处有多条宽度不一致的裂纹，裂纹从倒角平台向倒角圆弧过渡区延伸(见图2)。据此初步判断：十字销在使用过程中受弯曲交变应力作用。在弯曲交变应力的作用下，两条主裂纹从两边向中间扩展(见图1中b区)。进一步观察可发现图1上部的主裂纹源区较为清晰，上部的主裂纹扩展速率较下部的主裂纹扩展速率快；两条次裂纹则因受力较小,没有留下清晰的裂纹扩展路径，图1中c区为瞬断区。依据裂纹扩展路径初步判断，该十字销的断裂源出现在倒角部位，断裂方式为多源疲劳断裂。
1.2 化学成分分析
采用直读光谱仪对十字销试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：其化学成分满足GB/T 3077—2015《合金结构钢》的要求。
1.3 金相检验
在断裂部位取金相试样，将其置于光学显微镜下观察，发现十字销倒角区域有一处深度约为1.05mm的锯齿状裂纹，且试样表面有较多大尺寸、长条状的MnS夹杂(见图3~4)。用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀后观察其显微组织，可知表面渗碳层的深度约为1.46mm。试样表层组织由浅入深依次为:回火马氏体+少量屈氏体(深度为0.45mm)(见图5)、淬火马氏体+少量屈氏体(深度为0.55 mm)(见图6)、贝氏体+马氏体(深度为0.55mm)(见图7)。基体组织为马氏体+贝氏体+铁素体(见图8)。
1.4 硬度测试
对十字销试样的横截面进行硬度测试，结果显示非渗碳层的洛氏硬度较为均匀，其值为28.1~31.2HRC。对试样进行热酸酸洗后发现，其横截面无明显的缺陷，基体组织较为均匀。
对金相试样进行硬度测试，结果如图9所示。由图9可知：试样由浅入深的硬度呈先增大后减小的趋势，在距表面0.55mm处达到最大值，为729HV，然后硬度逐渐降低并趋于稳定。硬度的变化与表层显微组织的变化相对应，表层出现的不良淬火马氏体组织可能是由回火不充分导致的。
1.5 扫描电镜(SEM)分析
十字销断口裂纹源区的SEM 形貌如图10所示。由图10可知：在裂纹源区,有较多高低不平的疲劳条带小平面或小坑，小平面较光滑。随着疲劳裂纹的扩展，条带间距变小，条带及小坑高低不平程度加剧(见图11)。图12为十字销瞬断区SEM形貌，断口呈准解理断口形貌特征，十字销快速整体断裂。
2、 综合分析
由断裂十字销的宏观形貌可知，十字销发生多源疲劳断裂。十字销在使用过程中主要受弯曲交变应力的作用。在交变应力的作用下，倒角部位承受的载荷最大，材料在硫化物与基体间的界面处开裂，形成微裂纹源。十字销表层渗碳层中淬火马氏体组织具有较大的强度和硬度、较大的组织内应力及缺口敏感性等特点，不良组织可能是由淬火后回火不充分引起的。因此，十字销断裂的主要原因是其内部存在较多大尺寸的MnS夹杂和表层存在不良的淬火马氏体组织。倒角部位产生的少量应变会使倒角附近的大尺寸MnS夹杂与钢基体界面间形成孔洞，在应力作用下，表层硬脆的淬火马氏体组织加快了微裂纹源的形成。在裂纹扩展阶段，疲劳条带的间距较小，条带高低不平，这表明裂纹扩展速率较慢；当裂纹扩展到一定尺寸时，材料承载面积缩小且难以承受应力，导致裂纹快速扩展，最终造成十字销整体断裂。
3、 结论及建议
十字销的断裂形式为多源疲劳断裂，其表层存在的淬火马氏体组织和材料中较多的大尺寸、长条状MnS夹杂为微裂纹源的形成创造了条件，在材料组织薄弱处形成裂纹。建议提高钢水的洁净度及改进热处理工艺，以减少钢中大尺寸夹杂物，避免出现不良显微组织。
