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備中，如支承齒輪、連桿等傳動件，用于傳遞扭矩或彎矩，在設備中發揮著重要的作用。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鋼經過調質處理后，由于綜合力學性能較高(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]。

某廠使用調質處理的45鋼加工生產線上電動旋轉臺的傳動電機軸，該旋轉臺90°往返擺動用于連接兩條垂直生產線，安裝后使用了近25個月后傳動電機軸(以下簡稱傳動軸)發生早期斷裂，該傳動軸的設計壽命為20 a(年)。調查發現，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為該傳動軸的設計圖紙，圖1中的斷裂位置對應圖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，根據不同形貌特征，可將斷口劃分為A，B，C 3個區域，A區域為裂紋源區，處于臺階一周表面邊緣，裂紋源區可見放射狀棱線，是應力集中引發的多源疲勞[4]；B區域為裂紋擴展區，表面較為平滑，可見疲勞條紋；C區域為瞬斷區，該區域明顯偏離軸心位置，表面粗糙不平，且該區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個區域對應的SEM形貌分別如圖4～6所示。圖4為裂紋源區SEM形貌，可見軸邊緣處存在明顯的臺階。圖5為裂紋擴展區SEM形貌，可見疲勞條紋，呈疲勞斷裂特征。瞬斷區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SEM形貌Fig.4 SEM morphology of crack source area on fracture

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

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

1.3 化學成分分析

在斷口附近取樣，使用直讀光譜儀對斷裂傳動軸進行化學成分分析。結果如表1所示，可見該傳動軸的化學成分符合GB/T 699-2015《優質碳素結構鋼》對45 鋼的要求。

表1 斷裂傳動軸的化學成分(質量分數)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，結果均小于20 HRC，低于零件45鋼調質處理后硬度為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，結果如圖7，8所示。可見表面與心部的顯微組織均為珠光體+網狀和塊狀鐵素體，表明該傳動軸調質處理不合格。

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。而設計圖紙顯示，斷裂處倒圓半徑設計值為1.5 mm，低于標準推薦值，為軸變徑處形成較大的應力集中提供條件[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力。結合斷口形貌與傳動軸已穩定運行25個月之久可知，零件受到異常高應力載荷的可能性不大；而基于上述檢驗結果判斷，斷口中瞬斷區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，硬度明顯低于技術要求，說明零件熱處理不當，沒有達到調質處理狀態，導致抗疲勞強度顯著下降，也是瞬斷區面積占比較大的內在因素[8-9]。

3 結論及建議

傳動軸的失效性質為旋轉彎曲疲勞斷裂。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，引起應力集中；(2)傳動軸使用的45鋼材料調質處理不合格，顯微組織沒有達到要求，導致零件抗疲勞強度顯著下降,最終在交變載荷下發生斷裂。

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鋼傳動軸嚴格進行調質處理，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，以減少應力集中。