45鋼驅動軸斷裂原因分析

陳俊健

（華南理工大學 廣州學院，廣州 510800）

1 引言

某公司電機設備的驅動軸使用3個月左右出現斷裂，該驅動軸用45 鋼制造，技術要求調質處理200～220HB。斷裂部位為φ52臺階過渡處（見圖1 箭頭A所指）。該驅動軸工作時受扭轉以及循環應力，軸斷裂的部位是臺級過渡處。該臺階是與傳動齒輪緊固配合部位，工作時是一個受力點，而尖角處是應力集中的地方。45 鋼屬于中碳鋼范圍。在此含碳量范圍內，鋼經過調質處理（淬火后高溫回火，獲得回火索氏體組織）作為預先熱處理或最終熱處理。經調質處理后，組織為回火索氏體，獲得一定的強度、硬度的基礎上，能保持較好的綜合力學性能。本研究通過對失效件進行取樣，包括斷口宏觀分析、化學成分分析、綜合力學性能分析、金相分析、電鏡分析的一系列失效分析的實驗，分析驅動軸斷裂的原因，提出改進的建議。

圖1 驅動軸加工圖

2 檢驗分析

2.1 宏觀分析

失效構件包括能收集到的全部殘片在內，要在清洗前進行全面的觀察。這包括肉眼觀察、低倍率的放大或顯微鏡宏觀檢查，還有高倍率顯微鏡的微觀觀察。對斷裂的斷口，腐蝕的局部區做低倍率的宏觀觀察能為微觀機制分析提供選點觀察做好準備。如斷口宏觀觀察能判別斷裂順序、裂紋源、擴展方向，則微觀觀察可在確定的裂紋源區、裂紋擴展區及斷裂區分別觀察不同的特征，尋找異常的信息，為判別失效原因及機理提供有力的證據。斷口形貌呈現多裂源疲勞斷裂形貌特征，見圖2。在軸的邊緣產生裂紋（裂源），然后向心部擴展，最后于心部斷開。圖2中B、C、D 分別表示裂源、擴展區和瞬斷區。根據瞬斷區細小特征，可知斷軸所受疲勞應力較小。在扭轉、彎曲循環應力作用下，軸開裂過程中裂紋的張合間隙小，其斷面相互摩擦嚴重，因此斷口顯得光滑，疲勞貝紋花樣不明顯。

圖2 斷口形貌 1×

2.2 化學成分分析試驗

本次實驗采用的是光電直讀法光譜分析，省去了對感光板的暗室處理，以及在測微光計上進行的譜線刻度測量這兩個工序。該儀器采用光電接收元件，將光信號轉變為電信號，并經過放大及記錄裝置的作用，儀器隨即自動繪出指示分析線（含何種元素）及強度比的度數（元素含量），大大加快了分析速度。

化學成分分析結果見表1。成分與GB 標準優質碳素結構鋼（GB699-88）45鋼相符。

表1 扶手驅動軸化學成分/Wt%

2.3 硬度檢測試驗和力學性能檢測

本次采用的是布氏硬度試驗。布氏硬度試驗是用一定直徑D（mm）的鋼球或硬質合金為壓頭，施以一定的試驗力F（N），將其壓入試驗表面，經規定保持時間t（s）后卸除試驗力，試樣表面將殘留壓痕。測量壓痕平均直徑d（mm），求得壓痕球形面積A（mm2）。布氏硬度值HB 就是試驗力F 除以壓痕球形表面積A所得的商，其計算公式為：通常，布氏硬度值不標出單位［1］。

布氏硬度試驗的優點是壓痕面積較大，能反映較大體積范圍的各組成物的平均性能，代表性較全面，試驗結果也比較穩定，和材料的抗拉強度有近似的關系。硬度檢測結果為220HB。

力學性能檢測結果見表2。

表2 扶手驅動軸力學性能

實驗中，新試樣是送檢單位最近新下料的樣品，檢測的結果顯示，新試樣和舊試樣力學性能差別不明顯。

2.4 金相檢驗

（1）非金屬夾雜物

鋼中非金屬夾雜物主要是氧化物和硫化物，如圖3所示。拉長變形狀的是硫化物，呈點狀的是氧化物。依照GB10561-89《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》JK 標準評級圖，評定為A2D3級，不合格。

（2）表層組織和心部組織

表層為回火索氏體，如圖4所示。高溫回火時，鐵素體開始發生再結晶，由針片狀轉變為多邊形，滲碳體的聚集長大，形成由顆粒狀滲碳體與多邊形鐵素體組成的組織——回火索氏體［2］。但是，照片中所顯示，有部分鐵素體依然保留針片狀的特征，這是部分結構鋼常見的情況。

心部為回火索氏體+鐵素體，如圖5所示。值得注意的是，有部分由鐵素體晶界向晶內并排生長的鐵素體的存在，出現了魏氏組織的特征?？梢酝茢嗟玫剑@是由于加熱不足，造成鐵素體未能充分溶解。

圖3 非金屬夾雜物（未侵蝕）100×

圖4 表層組織500×

圖5 心部組織 500×

2.5 刀痕形貌分析

痕跡分析也是失效分析中最重要的分析方法之一，對判斷失效性質、失效順序、找出最早失效件、提供分析線索方面有著極為重要的意義。在斷口殘體部位可見粗糙加工刀痕，如圖6所示。

圖6 加工刀痕 2×

2.6 電子顯微分析試驗

圖7 加工刀痕放大像（SEM）17×

應用電子顯微鏡，能確定晶體的結構類型以及析出相與母相之間的取向關系，做到形貌與結構的統一。圖7 為電鏡觀察的刀痕形貌。

試樣經超聲波清洗及AC 紙溶敷拉拔處理。在電鏡觀察發現斷口邊緣疲勞輝紋，如圖8所示。有不同方向擴展的疲勞輝紋，如圖9所示。斷口有多個裂紋源。斷裂顯微組織是韌窩為主及二次裂紋，如圖10所示，由于韌窩的撕裂棱已被斷面之間摩擦、壓平，其特征不清晰。

圖8 疲勞輝紋（SEM）500×

圖9 不同方向的疲勞輝紋500×

圖10 壓扁的韌窩+二次裂紋 500×

3 分析和討論

驅動軸斷口形貌呈現多裂紋源疲勞斷裂形貌特征，軸的邊緣產生裂紋（裂源），然后向心部斷開。在交變應力作用下，疲勞裂紋從原來與拉伸軸呈45°角的滑移面，發展到與拉伸軸呈90°角，即由平面應力狀態轉變為平面應變狀態，這一階段中最突出的顯微特征是存在著大量的、相互平行的條紋，稱為“疲勞輝紋”。疲勞裂紋擴展到一定深度后，由于剩余工作截面減少，應力逐漸增加，裂紋加速擴展。當剩余面積小到不足以承受負荷時，在交變應力作用下，即發生突然的瞬時斷裂。根據瞬斷區細小特征，可知斷軸所受疲勞應力較小［3］。在扭轉、彎曲循環應力作用下，軸開裂過程中裂紋的張合間隙小，其斷面相互摩擦嚴重，因此斷口顯得光滑，疲勞貝紋花樣不明顯。

從金相組織來看，表層為回火索氏體，這是調質鋼的正常組織。這種組織有比較好的綜合機械性能。心部為回火索氏體+鐵素體。有部分由鐵素體晶界向晶內并排生長的鐵素體的存在，出現了魏氏組織的特征?？梢酝茢嗟玫?，這是由于加熱不足，造成鐵素體未能充分溶解。在安排零件的加工工藝路線時，應考慮淬透性的影響。如對有效淬硬深度淺的大尺寸工件，應在粗加工后再調質，以免把淬透層車去而起不到熱處理應有的作用。就本金相組織檢驗結果可知：非金屬夾雜物較多；熱處理工藝恰當，組織尚算正常。

在循環載荷作用下，金屬的不均勻滑移主要集中在金屬表面，疲勞裂紋也常常產生在表面上，所以機件的表面狀態對疲勞強度影響很大。表面的微觀幾何形狀如刀痕、擦傷和磨裂等，都能像微小而鋒利的缺口一樣，引起應力集中，使疲勞極限降低。機件尺寸對疲勞強度也有較大的影響，在彎曲、扭轉載荷作用下其影響更大。一般來說，隨著機件尺寸的增大，其疲勞強度下降，這種現象稱為疲勞強度尺寸效應。缺口試樣比光滑試樣的尺寸效應更為顯著。實際上，本驅動軸斷裂部位的臺級過渡處為直角，加工刀痕粗糙。臺級與傳動齒輪緊固配合部位工作時是一個受力點，刀痕及無倒圓的尖角成為應力集中的地方，該處便成為裂源。疲勞強度尺寸效應的原因在于：①尺寸增大會增加機件表面的各種缺陷，增大疲勞裂紋的萌生幾率；②機件尺寸增大會降低彎曲、扭轉機件截面的應力梯度，增大表層高應力的體積，增加萌生疲勞裂紋的幾率，因而其疲勞強度降低。

4 結論及建議

軸的材料化學成分符合45 鋼，但非金屬夾雜物較多。金相組織檢驗結果顯示，熱處理工藝恰當，組織正常。

軸斷裂部位的臺階過渡處，圖紙上標明有R2的倒圓，實際上該處是直角，而且加工刀痕粗糙。從裝配結構來看，該臺階是與傳動齒輪緊固配合部位，工作時是一個受力點。由于刀痕及無倒圓的尖角，成為應力集中的地方，該處便成為裂源。通常，在疲勞斷裂過程中，疲勞源形成的階段占據整個斷裂過程的大部分。刀痕本身可視為人工裂紋源，扶手驅動軸在疲勞斷裂過程中，無須形成裂源階段而直接進入裂紋擴展階段，因此出現僅3個月就斷裂的過早失效現象。也因為存在人工裂源，軸的斷口沒有呈現出典型的疲勞斷口三區組織形貌特征。

該驅動軸的斷裂屬于疲勞斷裂。引起斷裂的主要原因是軸臺級過渡無倒圓以及加工刀痕粗糙，這些加工缺陷造成使用中應力集中，成為疲勞裂源。

建議在加工時注意斷口處的臺階過渡倒圓，不要出現明顯的加工刀痕。由于斷口處臺級作用力較大，為免應力集中，設計圖紙可改R2 為R5。

［1］廖景娛.金屬構件失效分析［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［2］梁耀能.機械工程材料［M］.廣州：華南理工大學出版社，2002.

［3］孫平.材料力學［M］.廣州：華南理工大學出版社，1995.