顯微實(shí)驗(yàn)室

（深圳市美信檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，深圳寶安，518108）

摘要：本文通過經(jīng)過對(duì)失效件進(jìn)行外觀檢查、SEM+EDS檢查、硬度試驗(yàn)、金相分析、化學(xué)成分分析等方法，找到失效原因?yàn)椋狠S頸位置補(bǔ)焊后存在較大的熱應(yīng)力，軸肩過渡圓角位置存在未焊合的缺口，加上軸肩過渡圓角屬于易應(yīng)力集中位置，在扭力作用下未焊合的缺口成為疲勞源，最終導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂失效。

關(guān)鍵詞 ：SEM+EDS；硬度試驗(yàn)；金相分析；化學(xué)成分分析；疲勞斷裂

1 前言

失效件為汽車電機(jī)軸，材質(zhì)為42CrMo，熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理，機(jī)加工順序?yàn)檐?、磨、銑。該電機(jī)軸在使用4年左右，軸承損壞并更換過軸承，更換軸承后使用一段時(shí)間發(fā)生斷軸，斷面正好與軸承背面貼平。如圖1所示，斷裂位置位于P1和P2之間，P2和P3本為一體，廠家已將P2、P3之間部分鋸切掉，此部分距離斷口較遠(yuǎn)，不影響斷軸原因分析。

圖1.電機(jī)軸

2 檢查分析

2.1 外觀檢查

如圖2、圖3所示，斷口兩部分能無(wú)縫對(duì)接，無(wú)明顯塑性變形；P1靠近斷口部分表面呈高溫氧化色，大約占半根軸的長(zhǎng)度，斷口位于大徑與小徑幾何尺寸突變臺(tái)階的R角。

如圖4、圖5所示，P1斷口外圈亮色且有同心圓周痕的位置為軸肩臺(tái)階面，靠近外表面有熔珠狀金屬黏附在表面，熔珠呈高溫氧化色；斷口外圈基本上已被摩擦撞擊破壞，只有中間區(qū)域斷口完好，可觀察到明顯的扭轉(zhuǎn)疲勞條紋。

如圖6所示，P2表面具有明顯圓周方向、寬度一致的摩擦痕跡，摩擦痕較淺，為軸頸位置；在軸頸的兩側(cè)可觀察到明顯未熔合金屬層，結(jié)合P1斷口表面存在熔珠現(xiàn)象，推斷電機(jī)軸可能存在補(bǔ)焊，后續(xù)通過金相分析和SEM/EDS分析再驗(yàn)證。

如圖7所示， P2斷口平整，斷面與軸向垂直，斷口外表面多處存在缺口及裂紋，缺口內(nèi)表面呈氧化色且有較多污染物；斷口外圈光滑且呈暗色，占整個(gè)斷口面積3/4左右，部分亮色區(qū)域?yàn)閿噍S后撞擊摩擦形成；中心區(qū)域若干同心圓狀的扭轉(zhuǎn)疲勞條紋，占整個(gè)斷口面積1/4左右，呈扭轉(zhuǎn)疲勞特征。

圖2. 斷口位置外觀檢查	圖3. 斷口匹配檢查
圖4. P1斷口低倍觀察	圖5. P2斷口低倍觀察
圖6. P2外圓周檢查	圖7.P2斷口低倍觀察

2.2 SEM+EDS檢查

如圖8-圖13所示，P1斷口邊緣為軸肩位置，可觀察到明顯的熔珠；斷口外圈大部分區(qū)域已被摩擦撞擊破壞，未破壞區(qū)域呈暗色，表面光滑，為穿晶解理特征；斷口心部可觀察到明顯的同心圓形疲勞條帶，為扭轉(zhuǎn)疲勞斷口。

如圖14-圖19所示，P2斷口形貌與P1類似，外邊存在較多缺口，對(duì)缺口金相EDS微區(qū)成分分析，結(jié)果見表1，外邊緣成分與心部成分存在差異（外邊緣不含Cr、Mn），確認(rèn)外邊緣不同形貌位置為補(bǔ)焊層。

圖8.P1斷口中間位置SEM觀察	圖9.P1斷口中間位置SEM放大觀察
圖10.P1斷口1/2位置SEM觀察	圖11.P1斷口1/2位置SEM放大觀察
圖12.P1斷口軸肩位置SEM觀察	圖13.P1軸肩位置SEM放大觀察
圖14.P2斷口中間位置SEM觀察	圖15.P2斷口中間位置SEM放大觀察
圖16.P2斷口邊緣位置SEM觀察	圖17.P2斷口邊緣位置SEM放大觀察
圖18.圖17中位置1的EDS測(cè)試譜圖	圖19.圖17中位置2的EDS測(cè)試譜圖

表1.P2斷口邊緣EDS分析結(jié)果（wt%）

2.3 硬度試驗(yàn)

按GB/T 230.1-2009標(biāo)準(zhǔn)方法檢驗(yàn)失效件橫截面心部和外表面硬度，結(jié)果記入表2。

GB/T 3077-199中42CrMo的淬火+回火（調(diào)質(zhì)處理）工藝后的硬度要求為≤217HBW，參照ASTM E140-05E1《金屬標(biāo)準(zhǔn)硬度換算表》標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成洛氏硬度約為20HRC，心部硬度偏高，外表面硬度偏低。

表2. 硬度檢查結(jié)果（HRC）

2.4 金相分析

如圖20-圖25所示,沿P1軸向做切片,拋光腐蝕后發(fā)現(xiàn)軸表面與心部組織具有不同組織,界限明顯,確定軸承裝配位置存在補(bǔ)焊操作，斷口位于補(bǔ)焊邊緣的熱影響區(qū)，將圖中不同組織區(qū)域依次標(biāo)記為A、B、C：A為補(bǔ)焊熔融區(qū)，B為軸熱影響區(qū)，C為軸基材，金相組織依次：A區(qū)為網(wǎng)狀、粗針狀鐵素體+粒狀和針狀馬氏體+針片狀魏氏體，按GB/T1329-1991評(píng)定魏氏體組織為B系列5級(jí)；B區(qū)為少量粒狀體鐵素體基體珠光體；C區(qū)為少量針狀魏氏體+保留馬氏體位向的針狀索氏體，心部帶狀組織明顯，按GB/T1329-1991評(píng)定帶狀組織級(jí)別為C系列5級(jí)。

圖20.P2金相切片宏觀圖
圖21.補(bǔ)焊區(qū)金相檢查（50X）	圖22.A區(qū)金相檢查（500X）
圖23.B區(qū)金相檢查（500X）	圖24.C區(qū)低金相檢查（100X）
圖25.心部金相檢查（500X）

2.5 化學(xué)成分分析  

采用ICP分析電機(jī)軸材質(zhì)成分，分析結(jié)果見表3，與GB/T 3077-1999對(duì)照，符合42CrMo牌號(hào)鋼材的標(biāo)準(zhǔn)要求，無(wú)錯(cuò)料現(xiàn)象。

表3：化學(xué)元素分析結(jié)果(wt%)

3 理論分析

一般軸頸補(bǔ)焊過程中要遵循的以下原則：

（1）由于所焊接的電機(jī)軸是經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的，在焊接加工后不可能對(duì)其進(jìn)行恢復(fù)熱處理工藝，因此，焊接后的強(qiáng)度要達(dá)到或接近電機(jī)軸原有的機(jī)械性能，并在焊接過程中采取合理措施減小熱影響區(qū)的軟化。

（2）盡可能減小焊接變形，為后續(xù)的機(jī)加工帶來方便。

（3）碳量及合金元素含量較高，焊接時(shí)有較大的熱裂紋敏感性并有較大的冷裂紋傾向，焊接時(shí)應(yīng)避免焊接裂紋的產(chǎn)生。

從外觀檢查及低倍分析可知，斷口位于軸肩過渡圓角位置，該位置存在較多補(bǔ)焊后未焊合的缺口，且缺口的尺寸較大，約半根軸表面呈高溫氧化色，說明在補(bǔ)焊過程中受熱程度特別高，影響范圍大，即補(bǔ)焊后殘留較高的熱應(yīng)力。

后續(xù)SEM/EDS、金相分析確定斷裂起源于表面的未焊合的缺口，也是補(bǔ)焊后的熱影響區(qū)，呈多源分布特征。熔融區(qū)存在較多的魏氏體組織，心部也存在少量魏氏體組織和和較嚴(yán)重的帶狀組織，魏氏體組織塑性差、韌性低，會(huì)明顯降低軸的強(qiáng)度，也是熱應(yīng)力殘留較高的特征之一，可見電機(jī)軸在補(bǔ)焊后未能消除熱應(yīng)力影響。

從硬度上看，參考GB/T 3077-199標(biāo)準(zhǔn)，心部受焊接熱影響，導(dǎo)致硬度偏高。

從成分上看，電機(jī)軸用料正確，無(wú)錯(cuò)料現(xiàn)象。

綜上，電機(jī)軸失效原因?yàn)檠a(bǔ)焊位置存在較大熱應(yīng)力，且易應(yīng)力集中的軸肩過渡圓角位置存在表面缺陷，受扭力作用條件下在表面缺口缺陷位置疲勞起源開裂，導(dǎo)致電機(jī)軸扭轉(zhuǎn)疲勞失效。

4 結(jié)論

電機(jī)軸失效的原因?yàn)檩S頸位置補(bǔ)焊后存在較大的熱應(yīng)力，軸肩過渡圓角位置存在未焊合的缺口，加上軸肩過渡圓角屬于易應(yīng)力集中位置，在扭力作用下未焊合的缺口成為疲勞源，最終導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂失效。

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