45鋼傳動軸斷裂原因

趙美玲, 馮飛龍, 詹 忠, 吳 晶

[1.廣汽乘用車(杭州)有限公司, 杭州 311222； 2.廣汽乘用車有限公司, 廣州 511434]

軸類零件廣泛運用于各類機械設(shè)備中，如支承齒輪、連桿等傳動件，用于傳遞扭矩或彎矩，在設(shè)備中發(fā)揮著重要的作用。目前，碳素鋼、合金鋼是運用較為廣泛的軸類零件材料，其中45鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，由于綜合力學(xué)性能較高(切削加工性較好、強韌性較高)，且價格低、來源廣，因此是軸類零件的常用材料[1-3]。

某廠使用調(diào)質(zhì)處理的45鋼加工生產(chǎn)線上電動旋轉(zhuǎn)臺的傳動電機軸，該旋轉(zhuǎn)臺90°往返擺動用于連接兩條垂直生產(chǎn)線，安裝后使用了近25個月后傳動電機軸(以下簡稱傳動軸)發(fā)生早期斷裂，該傳動軸的設(shè)計壽命為20 a(年)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該廠共有8件這類傳動軸同步安裝使用，目前有1件傳動軸斷裂。為找到該傳動軸的斷裂原因,筆者對該軸進行了宏觀與微觀分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗、硬度測試等,并提出改進措施，為改善傳動軸性能提供參考，避免該類故障再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

斷裂傳動軸宏觀形貌如圖1所示，可見傳動軸的斷裂位置在軸的臺階根部，沒有明顯塑性變形，斷口垂直于軸線。圖2為該傳動軸的設(shè)計圖紙，圖1中的斷裂位置對應(yīng)圖2中的變徑過渡臺階處，圖紙顯示兩段軸的直徑分別為50 mm和55 mm，過渡臺階處為半徑1.5 mm 的倒圓。

圖1 斷裂傳動軸宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured drive shaft

圖2 斷裂傳動軸的設(shè)計圖紙Fig.2 Design drawing of fractured drive shaft

斷口宏觀形貌如圖3所示，可見斷口表面較為平整，無明顯塑性變形，根據(jù)不同形貌特征，可將斷口劃分為A，B，C 3個區(qū)域，A區(qū)域為裂紋源區(qū)，處于臺階一周表面邊緣，裂紋源區(qū)可見放射狀棱線，是應(yīng)力集中引發(fā)的多源疲勞[4]；B區(qū)域為裂紋擴展區(qū)，表面較為平滑，可見疲勞條紋；C區(qū)域為瞬斷區(qū)，該區(qū)域明顯偏離軸心位置，表面粗糙不平，且該區(qū)域面積占斷口整體的1/4左右。對比圓形截面零件在不同載荷下的典型疲勞斷口特征[5-6]，此斷口形貌符合旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口特征。

圖3 斷裂傳動軸斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of fractured drive shaft

1.2 微觀分析

使用掃描電鏡(SEM)對斷裂傳動軸的斷口進行微觀分析。圖3中A，B，C 3個區(qū)域?qū)?yīng)的SEM形貌分別如圖4～6所示。圖4為裂紋源區(qū)SEM形貌，可見軸邊緣處存在明顯的臺階。圖5為裂紋擴展區(qū)SEM形貌，可見疲勞條紋，呈疲勞斷裂特征。瞬斷區(qū)SEM形貌如圖6所示，可見主要呈解理和少量韌窩形貌。

圖4 斷口裂紋源區(qū)SEM形貌Fig.4 SEM morphology of crack source area on fracture

圖5 斷口裂紋擴展區(qū)SEM形貌Fig.5 SEM morphology of crack growth area on fracture

圖6 斷口瞬斷區(qū)SEM形貌Fig.6 SEM morphology of instantaneous fracture area on fracture

1.3 化學(xué)成分分析

在斷口附近取樣，使用直讀光譜儀對斷裂傳動軸進行化學(xué)成分分析。結(jié)果如表1所示，可見該傳動軸的化學(xué)成分符合GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對45 鋼的要求。

表1 斷裂傳動軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of fractured driveshaft (mass fraction) %

1.4 硬度測試

在斷裂傳動軸上截取硬度測試試樣，分別對圖3中的A，C區(qū)域，即表面與心部，進行維氏硬度測試。測得表面硬度為195 HV1.0，心部硬度為192 HV1.0，根據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》的要求，將維氏硬度換算成洛氏硬度，結(jié)果均小于20 HRC，低于零件45鋼調(diào)質(zhì)處理后硬度為28～32 HRC的要求。

1.5 金相檢驗

觀察傳動軸斷口處表面與心部的顯微組織形貌，結(jié)果如圖7，8所示?？梢姳砻媾c心部的顯微組織均為珠光體+網(wǎng)狀和塊狀鐵素體，表明該傳動軸調(diào)質(zhì)處理不合格。

圖8 斷裂傳動軸心部顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of fractured drive shaft center:a) at low magnification; b) at high magnification

2 分析與討論

根據(jù)GB/T 6403.4-2008《零件倒圓與倒角》的要求，直徑為50～80 mm零件的倒圓推薦半徑為2.0 mm。而設(shè)計圖紙顯示，斷裂處倒圓半徑設(shè)計值為1.5 mm，低于標(biāo)準(zhǔn)推薦值，為軸變徑處形成較大的應(yīng)力集中提供條件[7]。

斷裂位置在兩段軸的過渡位置，斷口形貌表明,傳動軸呈典型的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂特征。疲勞裂紋起源于軸肩根部，從表面向心部擴展直至最終斷裂。斷口形貌中瞬斷區(qū)面積占比較大，表明傳動軸斷裂時受到了相對于零件許用強度而言較大的名義應(yīng)力。結(jié)合斷口形貌與傳動軸已穩(wěn)定運行25個月之久可知，零件受到異常高應(yīng)力載荷的可能性不大；而基于上述檢驗結(jié)果判斷，斷口中瞬斷區(qū)面積占比較大是基體強度低所致。

斷裂傳動軸顯微組織為珠光體+鐵素體，硬度明顯低于技術(shù)要求，說明零件熱處理不當(dāng)，沒有達(dá)到調(diào)質(zhì)處理狀態(tài)，導(dǎo)致抗疲勞強度顯著下降，也是瞬斷區(qū)面積占比較大的內(nèi)在因素[8-9]。

3 結(jié)論及建議

傳動軸的失效性質(zhì)為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。該傳動軸早期斷裂的主要原因包括兩個方面：(1)軸肩根部倒圓半徑較小，引起應(yīng)力集中；(2)傳動軸使用的45鋼材料調(diào)質(zhì)處理不合格，顯微組織沒有達(dá)到要求，導(dǎo)致零件抗疲勞強度顯著下降,最終在交變載荷下發(fā)生斷裂。

建議首先對同期投入使用的其余7件傳動軸進行排查，其次后期對此類45鋼傳動軸嚴(yán)格進行調(diào)質(zhì)處理，或更換淬透性更好的材料(如40Cr,35CrMo等)，同時增加軸臺階根部過渡弧的半徑，以減少應(yīng)力集中。