顯微實驗室

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摘要：本文通過經過對失效件進行外觀檢查、SEM+EDS檢查、硬度試驗、金相分析、化學成分分析等方法，找到失效原因為：軸頸位置補焊后存在較大的熱應力，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，最終導致扭轉疲勞斷裂失效。

關鍵詞 ：SEM+EDS；硬度試驗；金相分析；化學成分分析；疲勞斷裂

1 前言

失效件為汽車電機軸，材質為42CrMo，熱處理工藝為調質處理，機加工順序為車、磨、銑。該電機軸在使用4年左右，軸承損壞并更換過軸承，更換軸承后使用一段時間發生斷軸，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，不影響斷軸原因分析。

圖1.電機軸

2 檢查分析

2.1 外觀檢查

如圖2、圖3所示，斷口兩部分能無縫對接，無明顯塑性變形；P1靠近斷口部分表面呈高溫氧化色，大約占半根軸的長度，斷口位于大徑與小徑幾何尺寸突變臺階的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，只有中間區域斷口完好，可觀察到明顯的扭轉疲勞條紋。

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；在軸頸的兩側可觀察到明顯未熔合金屬層，結合P1斷口表面存在熔珠現象，推斷電機軸可能存在補焊，后續通過金相分析和SEM/EDS分析再驗證。

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，占整個斷口面積3/4左右，部分亮色區域為斷軸后撞擊摩擦形成；中心區域若干同心圓狀的扭轉疲勞條紋，占整個斷口面積1/4左右，呈扭轉疲勞特征。

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；斷口外圈大部分區域已被摩擦撞擊破壞，未破壞區域呈暗色，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，對缺口金相EDS微區成分分析，結果見表1，外邊緣成分與心部成分存在差異（外邊緣不含Cr、Mn），確認外邊緣不同形貌位置為補焊層。

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測試譜圖	圖19.圖17中位置2的EDS測試譜圖

表1.P2斷口邊緣EDS分析結果（wt%）

2.3 硬度試驗

按GB/T 230.1-2009標準方法檢驗失效件橫截面心部和外表面硬度，結果記入表2。

GB/T 3077-199中42CrMo的淬火+回火（調質處理）工藝后的硬度要求為≤217HBW，參照ASTM E140-05E1《金屬標準硬度換算表》標準轉換成洛氏硬度約為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,拋光腐蝕后發現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焊操作，斷口位于補焊邊緣的熱影響區，將圖中不同組織區域依次標記為A、B、C：A為補焊熔融區，B為軸熱影響區，C為軸基材，金相組織依次：A區為網狀、粗針狀鐵素體+粒狀和針狀馬氏體+針片狀魏氏體，按GB/T1329-1991評定魏氏體組織為B系列5級；B區為少量粒狀體鐵素體基體珠光體；C區為少量針狀魏氏體+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評定帶狀組織級別為C系列5級。

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

2.5 化學成分分析  

采用ICP分析電機軸材質成分，分析結果見表3，與GB/T 3077-1999對照，符合42CrMo牌號鋼材的標準要求，無錯料現象。

表3：化學元素分析結果(wt%)

3 理論分析

一般軸頸補焊過程中要遵循的以下原則：

（1）由于所焊接的電機軸是經過調質處理的，在焊接加工后不可能對其進行恢復熱處理工藝，因此，焊接后的強度要達到或接近電機軸原有的機械性能，并在焊接過程中采取合理措施減小熱影響區的軟化。

（2）盡可能減小焊接變形，為后續的機加工帶來方便。

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

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，說明在補焊過程中受熱程度特別高，影響范圍大，即補焊后殘留較高的熱應力。

后續SEM/EDS、金相分析確定斷裂起源于表面的未焊合的缺口，也是補焊后的熱影響區，呈多源分布特征。熔融區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重的帶狀組織，魏氏體組織塑性差、韌性低，會明顯降低軸的強度，也是熱應力殘留較高的特征之一，可見電機軸在補焊后未能消除熱應力影響。

從硬度上看，參考GB/T 3077-199標準，心部受焊接熱影響，導致硬度偏高。

從成分上看，電機軸用料正確，無錯料現象。

綜上，電機軸失效原因為補焊位置存在較大熱應力，且易應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，導致電機軸扭轉疲勞失效。

4 結論

電機軸失效的原因為軸頸位置補焊后存在較大的熱應力，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，最終導致扭轉疲勞斷裂失效。

5 參考文獻

[1] 劉群奇等.40Cr電機軸的焊補及焊后加工工藝[J]. 《煤礦機械》.2010.31(7)

[2] 楊立飛.核電廠通風系統電機軸斷裂根本原因分析[J]. 核動力工程. 2013.34(3)

[3] 巴發海.精軋機電機軸斷裂原因分析[J].機械工程材料.2010.34(8) 

[4] 李東林.內燃機車牽引電機軸斷裂分析及解決方案.2014.11

[5] 李亞江.實用焊接技術手冊[K].石家莊：河北技術出版社，2002.

[6] 成大先.機械設計手冊[K].北京：化學工業出版社，2002.

[7] 陳渝川.焊接工藝評定手冊[K].北京：機械工業出版社，1999.

[8] 王英杰.金屬材料及熱處理[M].北京：機械工業出版社，2006.

[9] 李炯輝.金屬材料金相圖譜[M].北京：機械工業出版社，2006.

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