焊接工艺是热加工工艺中容易产生缺陷的工艺之一，由于钢的淬硬性，材料中的气体氢、杂质以及焊接应力等因素的影响，焊接过程中容易产生热裂纹、冷裂纹、再热裂纹等缺陷，使焊接结构件存在失效的隐患。
工程机械销轴是机械零部件间的连接元件，承受较大单向弯曲载荷、剪切应力或挤压应力等。某工程机械销轴由40Cr钢轴与Q235B钢套管焊接而成，服役条件较差，长期暴露于潮湿和水泥粉尘的环境中，3个月后发生断裂。为找到销轴断裂的原因，来自河钢集团邯钢公司技术中心的范全保、李金波、李仕超和李昂四位研究人员对其进行了理化检验和分析，以期为焊接工艺的改进和预防销轴断裂提供帮助。
1. 理化检验
1.1
宏观观察
该工程机械销轴于40Cr钢轴与Q235B钢套管焊接处断裂，将40Cr钢轴沿断裂面分为两部分，两侧断面分别称为断面A和断面B。由图1所示的断口宏观形貌可见，裂纹源位于焊接焊缝处，沿40Cr钢轴的横截面扩展，断口宏观平直呈放射状花样，具有明显脆性断裂特征。
图1 断裂销轴的宏观形貌
1.2
化学成分分析
对断裂销轴取样进行化学成分析，可见其化学成分符合GB/T3077—2015《合金结构钢》对40Cr钢成分的要求，但磷、硫等杂质元素含量相对偏高，虽未超出标准要求但高于正常生产时内部控制要求(磷的质量分数≤0.020%，硫的质量分数≤0.015%)。
1.3
金相检验
从断面B沿裂纹源纵向切开，制作矩形块状试样，试样经抛光、浸蚀后观察其显微组织。在其右上角的裂纹源附近发现有与母材浸蚀着色程度不同的异常组织，如图2所示。
图2 取样位置及异常组织
进一步放大观察，可见裂纹源附近异常组织为以马氏体为主的焊接热影响区组织，母材区显微组织为铁素体+珠光体，如图3所示。
图3 裂纹源附近的显微组织形貌
切取断面上带有焊缝的试样并观察其显微组织形貌，如图4所示，可见试样存在界面清晰的典型焊接形貌分区，包括焊缝区、热影响区和母材区。
图4 焊点附近的显微组织形貌
进一步观察热影响区的显微组织形貌，如图5所示，可见热影响区中接近焊缝区的组织为粗大的马氏体，是焊接过程高温导致奥氏体晶粒粗化而形成的过热区，这一区域晶界脆性较大;向内组织逐渐转变为由细小马氏体组成的细晶区;靠近母材区组织是由细小马氏体和颗粒状铁素体组成的混合组织，为不完全淬火区，具有一定的强度和韧性。
图5 热影响区的显微组织形貌
对图5所示热影响区中的过热区放大观察，如图6所示，在粗大马氏体组织内发现了沿晶分布的裂纹缺陷，可判断为应力断裂。
图6 热影响区的过热区显微组织形貌
进一步放大观察图4所示带有焊缝的试样，如图7所示，可见在热影响区和焊缝区的界面处有一条宽度约30μm 的深色焊接熔合带，带内存在杂质富集的现象，可进一步判断销轴断裂起始于热影响区的过热区与焊缝区的界面处。
图7 焊缝区和热影响区界面处的显微组织形貌
2. 分析与讨论
2.1
断裂销轴裂纹源分析
通过化学成分分析可知该销轴的化学成分符合GB/T3077—2015标准对40Cr钢成分的要求，但母材中磷、硫等杂质元素含量相对偏高，对于焊接质量存在隐患。因为磷和硫元素会使母材结晶温度区间增大，并极易引起偏析而形成各种低熔点共晶体，增大断裂倾向。
由断裂销轴断口宏观形貌可见明显的放射状花样，为脆性断裂特征，判断起裂源于销轴表面的焊接焊点附近。另外，销轴发生断裂时所受载荷低于设备额定载荷，所受应力低于材料设计强度，为低应力脆断。
根据对断裂销轴的显微组织观察，结合40Cr钢属于中碳调质钢，淬硬倾向大的特点，分析是由于销轴在焊接后冷却速度过快，形成了以马氏体为主的焊接热影响区组织。马氏体组织硬度高、脆性大，它的存在使得焊缝塑性降低、应力增大，在焊接快冷条件的收缩应力作用下，容易产生应力裂纹缺陷。同时，在热影响区过热区的粗大马氏体组织内发现了沿晶裂纹缺陷，以及在热影响区和焊缝区的界面处有一条宽度约30μm的深色焊接熔合带，带内存在杂质富集的现象，可进一步判断销轴断裂起始于热影响区的过热区与焊缝区的界面处。
2.2
焊缝熔合带分析
裂纹源显微组织分析显示在热影响区和焊缝区界面处存在一条熔合带，带内由于杂质富集在销轴服役受力过程中易形成微裂纹源。熔合带是焊接接头的薄弱区域，是易于造成局部脆性破坏的发源地，加上热影响区内存在粗大马氏体组织和应力,在该区域两种因素叠加作用使得微裂纹形成和扩展。
3. 结论及建议
(1) 该工程机械销轴由于焊接过程中在热影响区内形成了淬硬的马氏体组织，产生了较大内应力，加上焊缝和热影响区界面熔合带内杂质富集，形成微裂纹源，在外力作用下微裂纹扩展，终导致销轴发生了脆性断裂。
(2) 40Cr钢属于中碳调质钢，淬硬倾向大，容易在焊缝和热影响区中产生裂纹，需通过控制焊接后焊缝区冷却速度，或采用在焊接前对焊接金属进行预热的方式，防止焊接后因冷却速度过快导致淬火时形成马氏体组织。
(3) 在选材和焊接前要保证焊接母材和焊接金属面的洁净。一方面需提高母材洁净度，严格控制母材中磷、硫等杂质元素的含量;另一方面需保证焊接前焊接金属面的洁净，避免焊接过程中油污、锈迹等杂质在熔合带内富集，形成潜在裂纹隐患。
