某45鋼電機轉軸早期斷裂失效分析

＊楊廣舟 齊建波 楊禮林

（內蒙古科技大學材料與冶金學院 內蒙古 014010）

45鋼是含碳量約0.45%的優質碳素結構鋼，被廣泛地應用于較高強度的中低檔數控機床的轉軸類零件，因其價格適中，來源廣泛，綜合性能好，淬火后具有較高的硬度，調質處理后具有較好的切削性能，合理的熱處理后可獲得較高的強度和韌性等綜合力學性能[1]。但45鋼軸在制備過程中，由于材料本身存在缺陷，熱加工或熱處理工藝安排不合理，使用過程中易產生疲勞斷裂或發生早期失效，目前常見的失效形式主要是主軸異常磨損、表面開裂、鼓皮或塊狀脫落，進而引起機床設備發生早期的疲勞失效或斷裂失效，嚴重時會造成批量生產產品的尺寸精度超差或產品報廢。本文涉及的數控機床45鋼轉軸斷裂不同以往，樣品如圖1所示。

圖1 試樣形貌（箭頭指向斷裂處）

經現場反饋是在正常工作狀態下于軸套處突然發生斷裂，該轉軸工作環境溫度為室溫。該數控機床的45鋼轉軸的熱處理工藝為正火和回火[2-4]，且轉軸已經批量進行使用，因此結構設計方面可以排除存在明顯設計缺陷，初步判斷該轉軸存在早期異常斷裂的情況，為避免類似失效問題再次發生，對其取樣進行檢測與分析。

1.試驗材料與方法

(1)化學成分分析

試樣取自轉軸基材部位，采用電火花放電原子發射光譜法測得主要元素化學成分如表1，表中同時列出了國標GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼》對45鋼的成分要求。對比分析可知，斷裂轉軸的化學成分符合45鋼的國標要求。

表1 材料成分（%）

(2)表層-芯部硬度梯度測試

采用顯微維氏硬度計（里博-402MVD，0.3kgf），參考GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗》對試樣的芯部和表面硬度梯度測試。其中芯部硬度測試，是在芯部不同位置隨機取3個測試點，硬度分別為231HV、232HV、235HV，計算平均硬度為233HV。失效樣品的表面硬度梯度測試結果如圖2。

圖2 表面層硬度測試

由圖2可知，顯微硬度自表面至芯部先增加后逐漸降低并趨于穩定，硬度從表面190HV逐漸增大，最大位于深2.0mm處，約290HV。芯部硬度從3mm后趨于穩定，約為220～240HV。而一般45鋼表面淬火深度約1～2mm，硬度約為50HRC（500HV）[5-6]，因此由硬度數據可知該軸表面淬火態組織經過熱熔后已經恢復為退火態組織，且從表面硬度趨勢可推測表面重熔區深度約為1.5mm。

2.實驗結果與分析

(1)宏觀斷口分析

對發生斷裂的數控機床轉軸進行宏觀形貌觀察，如圖1中標出的箭頭位置是在軸與軸承圈交接處，結合圖3中箭頭所示位置，觀察該處可見轉軸斷面近表面處有明顯的摩擦燒傷的氧化變色現象，斷裂起源于軸的外表面處，斷面較平整并呈現貝紋（疲勞輝紋）形貌，屬于典型的疲勞斷裂特征，并有擦傷、氧化腐蝕和解理斷裂形態特征。

圖3 主軸斷口的宏觀形貌

(2)微觀斷口分析

利用場發射掃描顯微鏡（ZEISS-Sigma 300）觀察軸斷面SEM形貌如圖4所示，在近斷裂源圖4（a）的圓圈處可以觀察到明顯的解理面，說明斷裂源處為解理斷裂；圖4（b）隨著愈來愈遠離斷裂源區，河流花樣逐漸增多，如圖4（c）能清晰地觀察到明顯的河流花樣。根據以上觀察得出此零件失效屬疲勞斷裂，且源于轉軸外表面處。

圖4 失效斷裂軸斷口SEM形貌

(3)斷口夾雜物及組織分析

①夾雜物分析

根據鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗方法，利用Olympus BX53M金相顯微鏡觀察獲得試樣的非金屬夾雜物評級為A0.5、B1e、C0、D0.5，如圖5所示，橫縱面均未發現有大尺寸及大量分布的夾雜物，符合國際標準GB/T 10561—2005的要求。

圖5 非金屬夾雜物形貌（拋光態100×）

②顯微組織分析

取轉軸基體金相試樣利用Olympus BX53M金相顯微鏡進行組織觀察，磨拋后用4%硝酸酒精溶液侵蝕，在光學顯微鏡100倍下觀察其帶狀組織為0級，晶粒大多數為等軸狀，無帶狀組織，如圖6（a）所示。在光學顯微鏡500倍觀察其基體組織為片狀珠光體+網狀鐵素體，如圖6（b）所示。沿晶斷口中的晶粒尺寸為八級。

圖6 4%硝酸酒精溶液侵蝕的主軸基體金相組織

③斷裂處表面與斷面形貌分析

利用Olympus BX53M金相顯微鏡觀察轉軸斷裂處，發現表面有約厚4mm的過熱層組織如圖7（a）與7（b）所示，屬高溫熔融組織；斷面拋光態形貌如圖7（c）所示，斷裂源表面附近有裂紋，斷面組織形貌如圖7（d）所示，斷裂源區接近表面處有高硬度的馬氏體組織。

圖7 斷裂處表面與斷口形貌（4%硝酸酒精溶液侵蝕）

④結果分析

從檢測結果看，轉軸試樣的化學成分和夾雜物等級均符合相應國家標準規定的范圍，因此，可以排除由于試樣冶煉加工、材料雜質元素含量超標和夾雜物尺寸、數量等因素導致的材料早期失效的情況。

再通過對轉軸斷口的宏觀檢測發現，轉軸斷口的裂紋起源于轉軸的表面半熔融組織處，斷面較平整，有明顯的貝紋形貌，該斷口符合疲勞斷裂斷口的形貌特征。分析該軸的工作狀態，由于該軸套與軸使用時應為過盈配合，當軸套配合不良且在外載荷的作用下會與軸發生干摩擦，快速且長時間的摩擦導致局部溫度升高，軸套連接處的軸表面區域出現高溫半熔融態。金屬材料斷裂一般是由于金屬材料本身的冶金缺陷或者材料表面的應力集中[7-9]。高溫半熔融態區域相當于經歷高溫退火，若時間夠長，在空氣環境下發生氧化脫碳且組織轉變導致表面強度下降，并在熱應力和組織應力的作用下降低材料的疲勞極限并會產生疲勞裂紋[10-13]，經過持續高溫熔融和裂紋的繼續擴展，最終出現轉軸表面脫碳、半融的疲勞斷裂失效形式。

3.結論與建議

綜上可知，（1）此軸類零件試樣斷裂為疲勞斷裂，斷裂源位于轉軸與軸套接觸的外表面，其主要原因是斷裂源區有高溫熔融態組織出現，由此導致有粗大的低疲勞強度的組織出現；（2）在使用過程中由于軸與套連接處應力集中，易出現疲勞裂紋，且隨著受力面積的減少而快速斷裂。鑒于此，建議在此類電機轉軸的制備過程中，可采用以下方式減少此類零件的失效斷裂現象：①優化調質熱處理工藝；②進行表面淬火，提高表面硬度；③改進轉軸失效部位的裝配結構，減少應力集中，避免早起期意外斷裂。