45鋼滾杠軸斷裂失效分析

陳化寧

（通標標準技術服務（上海）有限公司，上海 200000）

0 引言

斷裂失效是機械裝備失效中最主要也是最常見的失效形式，隨著檢驗分析手段和分析儀器的不斷進步和提高，探究失效原因從根本上解決失效問題是防止和解決生產事故最直接、經濟和行之有效的方法。零部件發生失效的影響因素主要有機械結構設計、材質化學成分、熱處理、顯微組織、加工成型工藝和運行環境等，以這些影響因素為出發點，常規金屬零部件斷裂失效分析時，我們主要從斷口分析、成分分析、力學性能、無損探傷和斷裂模擬這幾個方面進行逐步診斷、層層剖析得出失效原因。本文通過斷口分析結合成分和力學性能檢驗對該零件軸斷裂失效的原因進行剖析并給出改進建議，同時對斷裂失效分析的思路和分析技術進行說明和闡述。

背景介紹：某公司機械設備物料傳輸線上的滾杠軸（型號：JQJ-ZJ），設計壽命為5 a，在使用6個月后發生斷裂，該軸為傳輸滾杠的動力轉軸，材質為45號碳素結構鋼,調質后的45鋼具有高強度、高韌性，被廣泛應用在各軸類零件上。該軸斷裂發生在軸環右臺階面處（圖1箭頭A位置），軸環左側安裝軸承，右側安裝同步帶輪，伺服電動機轉速為1500 r/min。滾杠軸在工作過程中受到扭轉疲勞剪切應力和反復加速和減速循環載荷，運行環境中存在大量木屑粉塵。滾杠軸加工成型工藝流程為：毛坯料粗車→調制處理（28～32 HRC）→精車→粗磨→銑鍵槽→精磨。

圖1 滾杠軸

1 失效分析

1.1 宏觀檢查

斷口分析是斷裂失效分析中最重要的環節，包括宏觀檢查和微觀分析。失效斷口記錄著裂紋產生、擴展和最后斷裂的全過程[1]，掌握斷口信息后能及時地了解失效零件在運行過程中受到的載荷變化及運行環境。通過對斷口的主要形貌、顏色、主應力方向及變形情況進行宏觀檢查，獲得斷口的初步信息，基本了解零件的斷裂形式。

對軸的斷口進行清洗后，分別對斷口A面和B面進行宏觀檢查可以發現，斷裂面基本平整，無明顯塑性變形，斷口中存在嚴重磨損現象，磨損使得斷面發亮，其原因為斷裂后軸繼續運行互相摩擦所致。在低倍顯微鏡下觀察A斷面沿軸的斷裂圓周表面上分布有多處裂紋源，斷口中存在清晰可見的放射棱，該區域為裂紋快速擴展區，B斷面近軸心部分為瞬斷區，斷面為粗糙的平斷口，斷口其他部分已發生磨損破壞。斷口為典型的旋轉彎曲疲勞斷裂斷口，斷面中存在沿圓周分布的多個疲勞源區，疲勞裂紋穩定擴展區和瞬斷區[2]。從裂紋擴展趨勢可以判斷失效裂紋發生在圓周柱軸表面然后向軸心擴展，最后在軸心附件發生瞬斷。

1.2 斷口微觀分析

斷口微觀分析包括微觀形貌分析和微區成分分析，主要分析斷口的形貌特征、裂紋分布和擴展、斷口與晶粒、晶界、雜質及顯微組織之間的關系等，斷口微觀形貌分析對斷裂機理的分析和研究具有重要意義。

通過掃描電鏡（SEM）對失效軸的A面斷口微觀形貌進行分析發現，軸的邊緣斷口中有明顯的加工刀痕，部分地方存在加工損傷，如圖5、圖6所示。材質中夾雜有大量顆粒物，近軸邊緣部位顆粒物分布更為密集。結合能譜對顆粒物進行微區成分分析，得出斷口中的雜質為碳化物顆粒，圓周面及內部夾雜的顆粒物在循環載荷的作用下可大幅降低零件的使用壽命。在循環載荷的作用下裂紋擴展區呈現“波浪形”疲勞條帶[5]為疲勞裂紋擴展區的微觀形貌特征。斷口中存解理斷口的特征和沿晶二次裂紋（如圖9、圖10），表明材料晶間結合強度較弱，脆性大、韌性低。

圖2 A面宏觀斷口

圖3 B面宏觀斷口

圖4 A面斷面局部形貌

圖5 斷口邊緣區域形貌（×100）

圖6 斷口邊緣區域形貌（×500）

圖7 斷口邊緣區域形貌（×100）

圖8 斷口擴展區形貌（×500）

圖9 局部斷口形貌（×368）

圖10 局部斷口形貌（×2000）

1.3 化學成分分析

圖11 黑色顆粒能譜圖

從斷裂軸上取樣按照GB/T 4336-2016[3]《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》進行材料化學成分檢驗，檢驗結果如表1所示，材質化學成分符合GB/T 699-2015[4]《優質碳素結構鋼》45鋼的牌號要求。

表1 化學成分分析（質量分數） %

1.4 力學性能分析

零件的力學強度是驗證其是否符合設計要求的重要指標，常規的力學性能檢驗項目主要為拉伸特性和硬度測試。表2的測試結果表明該軸拉伸強度、屈服強度、斷裂伸長率均符合圖樣技術要求，對零件軸不同位置分別取點測硬度值，結果如表3所示，邊緣和心部硬度均不符合圖樣要求的調質28～32 HRC，且軸的硬度值由邊緣區域到中心存在較大梯度。

表2 力學性能測試結果

表3 硬度測試結果 HRC

圖12 硬度測試點分布

1.5 金相組織

失效軸的橫截面經過拋光、打磨、腐蝕后，分別對軸心和軸邊緣部分的金相組織進行分析，通過金相照片可以發現近邊緣位置為調質處理后的細小晶粒，顯微組織為回火索氏體，材料基體中存在較多的顆粒夾雜物，軸的圓周面出現腐蝕痕跡；近軸心部位金相組織為沿晶界呈網狀分布的鐵素體和粗大顆粒狀珠光體[5]，晶粒度不均勻，存在大顆粒夾雜物。

圖13 邊緣位置金相組織

圖14 近軸心位置金相組織

2 綜合分析

1）結合失效軸的安裝、運行工況和斷口的宏觀檢查微觀分析，我們認為該旋轉彎曲疲勞斷裂失效的力學行為應該為：滾杠軸在運行過程中處受到伺服電機帶輪施加的循環加減速載荷和旋轉疲勞彎曲應力，軸的表面缺陷和夾雜處在循環載荷作用下容易快速形成微裂紋，疲勞裂紋源從表面向軸心擴展，在近軸心位置發生斷裂。

2）雖然失效軸的化學成分測試結果符合相關標準規范，但從金相分析的結果可以發現其本身組織結構質量不是很高，材質中存在的大量不規則碳化物顆粒將破壞材料的組織均勻性，從而極大地影響材料的強度、韌性和疲勞特性。夾雜顆粒物的存在使得零件表面容易發生應力集中和環境應力腐蝕形成潛在裂紋源，內部以機械混合形式存在的夾雜顆粒處存在應力集中，在循環應力的作用下將加速裂紋的擴展，同時內部顆粒夾雜也有可能形成疲勞源。夾雜顆粒物的存在是導致滾杠軸失效、提前發生疲勞斷裂的重要原因。

3）熱處理工藝欠佳，金相組織不理想，中心部位珠光體晶粒尺寸粗大，晶粒度不均勻，對零件的疲勞性能產生不利影響，軸邊緣和心部的硬度值均較低，說明材料的力學強度和疲勞極限強度也較低。

4）軸環倒角處存在的加工缺陷是疲勞斷裂的裂紋源之一，這種細小的瑕疵和缺陷在較高循環應力的作用下會嚴重影響零件的疲勞強度，使得零件存在極大的失效風險。良好的表面質量能夠有效地預防環境腐蝕，提高加工精度、減少加工過程中產生的瑕疵和損傷對降低疲勞斷裂失效具有良好成效。

3 結論

綜上分析得出，導致零件軸發生旋轉彎曲疲勞斷裂斷裂的主要原因為：材質中顆粒夾雜物的存在嚴重影響了軸的疲勞極限強度。軸的倒角處承受較大的高頻交變應力，容易在表面夾雜顆粒和加工缺陷處形成微裂紋[6]，同時表面顆粒夾雜容易引發環境應力腐蝕，形成裂紋源；內部夾雜顆粒的存在也將加速疲勞裂紋的擴展。材料的熱處理工藝欠佳，使得軸在交變載荷的作用下，力學性能不能滿足設計要求；倒角處的機加工精度不夠，存在加工損傷，這些表面缺陷形成了疲勞斷裂的多個裂紋源。

結合上述情況給出以下建議：1）注重原材料選材，應對使用的原材料化學成分、力學性能和金相組織分階段進行全面的檢測，對下線的零件增加抽檢頻次；2）優化熱處理工藝，調整淬火冷卻速度和回火溫度，適當增加零件的淬透深度，細化心部晶粒尺寸，提高材料的力學性能；3）提高加工精度和加工質量，減少倒角處的加工損傷；4）盡量使設備平穩運行，避免出現較大的異常振蕩，減少振蕩型沖擊載荷。