45鋼驅(qū)動(dòng)軸斷裂原因分析

陳俊健

（華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院，廣州 510800）

1 引言

某公司電機(jī)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸使用3個(gè)月左右出現(xiàn)斷裂，該驅(qū)動(dòng)軸用45 鋼制造，技術(shù)要求調(diào)質(zhì)處理200～220HB。斷裂部位為φ52臺(tái)階過渡處（見圖1 箭頭A所指）。該驅(qū)動(dòng)軸工作時(shí)受扭轉(zhuǎn)以及循環(huán)應(yīng)力，軸斷裂的部位是臺(tái)級(jí)過渡處。該臺(tái)階是與傳動(dòng)齒輪緊固配合部位，工作時(shí)是一個(gè)受力點(diǎn)，而尖角處是應(yīng)力集中的地方。45 鋼屬于中碳鋼范圍。在此含碳量范圍內(nèi)，鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理（淬火后高溫回火，獲得回火索氏體組織）作為預(yù)先熱處理或最終熱處理。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，組織為回火索氏體，獲得一定的強(qiáng)度、硬度的基礎(chǔ)上，能保持較好的綜合力學(xué)性能。本研究通過對(duì)失效件進(jìn)行取樣，包括斷口宏觀分析、化學(xué)成分分析、綜合力學(xué)性能分析、金相分析、電鏡分析的一系列失效分析的實(shí)驗(yàn)，分析驅(qū)動(dòng)軸斷裂的原因，提出改進(jìn)的建議。

圖1 驅(qū)動(dòng)軸加工圖

2 檢驗(yàn)分析

2.1 宏觀分析

失效構(gòu)件包括能收集到的全部殘片在內(nèi)，要在清洗前進(jìn)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(duì)斷裂的斷口，腐蝕的局部區(qū)做低倍率的宏觀觀察能為微觀機(jī)制分析提供選點(diǎn)觀察做好準(zhǔn)備。如斷口宏觀觀察能判別斷裂順序、裂紋源、擴(kuò)展方向，則微觀觀察可在確定的裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及斷裂區(qū)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(jī)理提供有力的證據(jù)。斷口形貌呈現(xiàn)多裂源疲勞斷裂形貌特征，見圖2。在軸的邊緣產(chǎn)生裂紋（裂源），然后向心部擴(kuò)展，最后于心部斷開。圖2中B、C、D 分別表示裂源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。根據(jù)瞬斷區(qū)細(xì)小特征，可知斷軸所受疲勞應(yīng)力較小。在扭轉(zhuǎn)、彎曲循環(huán)應(yīng)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(yán)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(xué)成分分析試驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用的是光電直讀法光譜分析，省去了對(duì)感光板的暗室處理，以及在測(cè)微光計(jì)上進(jìn)行的譜線刻度測(cè)量這兩個(gè)工序。該儀器采用光電接收元件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并經(jīng)過放大及記錄裝置的作用，儀器隨即自動(dòng)繪出指示分析線（含何種元素）及強(qiáng)度比的度數(shù)（元素含量），大大加快了分析速度。

化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。成分與GB 標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB699-88）45鋼相符。

表1 扶手驅(qū)動(dòng)軸化學(xué)成分/Wt%

2.3 硬度檢測(cè)試驗(yàn)和力學(xué)性能檢測(cè)

本次采用的是布氏硬度試驗(yàn)。布氏硬度試驗(yàn)是用一定直徑D（mm）的鋼球或硬質(zhì)合金為壓頭，施以一定的試驗(yàn)力F（N），將其壓入試驗(yàn)表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間t（s）后卸除試驗(yàn)力，試樣表面將殘留壓痕。測(cè)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(yàn)力F 除以壓痕球形表面積A所得的商，其計(jì)算公式為：通常，布氏硬度值不標(biāo)出單位［1］。

布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)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(yàn)結(jié)果也比較穩(wěn)定，和材料的抗拉強(qiáng)度有近似的關(guān)系。硬度檢測(cè)結(jié)果為220HB。

力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 扶手驅(qū)動(dòng)軸力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)中，新試樣是送檢單位最近新下料的樣品，檢測(cè)的結(jié)果顯示，新試樣和舊試樣力學(xué)性能差別不明顯。

2.4 金相檢驗(yàn)

（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(zhǎng)變形狀的是硫化物，呈點(diǎn)狀的是氧化物。依照GB10561-89《鋼中非金屬夾雜物顯微評(píng)定方法》JK 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖，評(píng)定為A2D3級(jí)，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(shí)，鐵素體開始發(fā)生再結(jié)晶，由針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅危瑵B碳體的聚集長(zhǎng)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(jié)構(gòu)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(nèi)并排生長(zhǎng)的鐵素體的存在，出現(xiàn)了魏氏組織的特征。可以推斷得到，這是由于加熱不足，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(duì)判斷失效性質(zhì)、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?bào)w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(yàn)

圖7 加工刀痕放大像（SEM）17×

應(yīng)用電子顯微鏡，能確定晶體的結(jié)構(gòu)類型以及析出相與母相之間的取向關(guān)系，做到形貌與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。圖7 為電鏡觀察的刀痕形貌。

試樣經(jīng)超聲波清洗及AC 紙溶敷拉拔處理。在電鏡觀察發(fā)現(xiàn)斷口邊緣疲勞輝紋，如圖8所示。有不同方向擴(kuò)展的疲勞輝紋，如圖9所示。斷口有多個(gè)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(qū)動(dòng)軸斷口形貌呈現(xiàn)多裂紋源疲勞斷裂形貌特征，軸的邊緣產(chǎn)生裂紋（裂源），然后向心部斷開。在交變應(yīng)力作用下，疲勞裂紋從原來與拉伸軸呈45°角的滑移面，發(fā)展到與拉伸軸呈90°角，即由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài)，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(kuò)展到一定深度后，由于剩余工作截面減少，應(yīng)力逐漸增加，裂紋加速擴(kuò)展。當(dāng)剩余面積小到不足以承受負(fù)荷時(shí)，在交變應(yīng)力作用下，即發(fā)生突然的瞬時(shí)斷裂。根據(jù)瞬斷區(qū)細(xì)小特征，可知斷軸所受疲勞應(yīng)力較小［3］。在扭轉(zhuǎn)、彎曲循環(huán)應(yīng)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(yán)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(diào)質(zhì)鋼的正常組織。這種組織有比較好的綜合機(jī)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(nèi)并排生長(zhǎng)的鐵素體的存在，出現(xiàn)了魏氏組織的特征。可以推斷得到，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(shí)，應(yīng)考慮淬透性的影響。如對(duì)有效淬硬深度淺的大尺寸工件，應(yīng)在粗加工后再調(diào)質(zhì)，以免把淬透層車去而起不到熱處理應(yīng)有的作用。就本金相組織檢驗(yàn)結(jié)果可知：非金屬夾雜物較多；熱處理工藝恰當(dāng)，組織尚算正常。

在循環(huán)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(chǎn)生在表面上，所以機(jī)件的表面狀態(tài)對(duì)疲勞強(qiáng)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(yīng)力集中，使疲勞極限降低。機(jī)件尺寸對(duì)疲勞強(qiáng)度也有較大的影響，在彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用下其影響更大。一般來說，隨著機(jī)件尺寸的增大，其疲勞強(qiáng)度下降，這種現(xiàn)象稱為疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)。缺口試樣比光滑試樣的尺寸效應(yīng)更為顯著。實(shí)際上，本驅(qū)動(dòng)軸斷裂部位的臺(tái)級(jí)過渡處為直角，加工刀痕粗糙。臺(tái)級(jí)與傳動(dòng)齒輪緊固配合部位工作時(shí)是一個(gè)受力點(diǎn)，刀痕及無倒圓的尖角成為應(yīng)力集中的地方，該處便成為裂源。疲勞強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的原因在于：①尺寸增大會(huì)增加機(jī)件表面的各種缺陷，增大疲勞裂紋的萌生幾率；②機(jī)件尺寸增大會(huì)降低彎曲、扭轉(zhuǎn)機(jī)件截面的應(yīng)力梯度，增大表層高應(yīng)力的體積，增加萌生疲勞裂紋的幾率，因而其疲勞強(qiáng)度降低。

4 結(jié)論及建議

軸的材料化學(xué)成分符合45 鋼，但非金屬夾雜物較多。金相組織檢驗(yàn)結(jié)果顯示，熱處理工藝恰當(dāng)，組織正常。

軸斷裂部位的臺(tái)階過渡處，圖紙上標(biāo)明有R2的倒圓，實(shí)際上該處是直角，而且加工刀痕粗糙。從裝配結(jié)構(gòu)來看，該臺(tái)階是與傳動(dòng)齒輪緊固配合部位，工作時(shí)是一個(gè)受力點(diǎn)。由于刀痕及無倒圓的尖角，成為應(yīng)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(jù)整個(gè)斷裂過程的大部分。刀痕本身可視為人工裂紋源，扶手驅(qū)動(dòng)軸在疲勞斷裂過程中，無須形成裂源階段而直接進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，因此出現(xiàn)僅3個(gè)月就斷裂的過早失效現(xiàn)象。也因?yàn)榇嬖谌斯ち言矗S的斷口沒有呈現(xiàn)出典型的疲勞斷口三區(qū)組織形貌特征。

該驅(qū)動(dòng)軸的斷裂屬于疲勞斷裂。引起斷裂的主要原因是軸臺(tái)級(jí)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(yīng)力集中，成為疲勞裂源。

建議在加工時(shí)注意斷口處的臺(tái)階過渡倒圓，不要出現(xiàn)明顯的加工刀痕。由于斷口處臺(tái)級(jí)作用力較大，為免應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)圖紙可改R2 為R5。

［1］廖景娛.金屬構(gòu)件失效分析［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］梁耀能.機(jī)械工程材料［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002.

［3］孫平.材料力學(xué)［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，1995.