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摘要：本文通過經(jīng)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(xué)成分分析等方法，進行失效分析，找到失效原因為：軸頸位置補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。

1、前言

失效件為汽車電機軸，材質(zhì)為42CrMo，熱處理工藝為調(diào)質(zhì)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(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，不影響斷軸原因分析。

2、檢查分析

2.1 外觀檢查

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。

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(qū)域斷口完好，可觀察到明顯的扭轉(zhuǎn)疲勞條紋。

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，推斷電機軸可能存在補焊，后續(xù)通過金相分析和SEM/EDS分析再驗證。

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

2.2 SEM+EDS檢查

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。

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(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)，確認外邊緣不同形貌位置為補焊層。

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。

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《金屬標準硬度換算表》標準轉(zhuǎn)換成洛氏硬度約為20HRC，心部硬度偏高，外表面硬度偏低。

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焊操作，斷口位于補焊邊緣的熱影響區(qū)，將圖中不同組織區(qū)域依次標記為A、B、C：A為補焊熔融區(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評定魏氏體組織為B系列5級；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評定帶狀組織級別為C系列5級。

2.5 化學(xué)成分分析

采用ICP分析電機軸材質(zhì)成分，分析結(jié)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(xiàn)象。

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(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的，在焊接加工后不可能對其進行恢復(fù)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(qū)的軟化。

（2）盡可能減小焊接變形，為后續(xù)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(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(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(yīng)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(yīng)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(dǎo)致硬度偏高。

從成分上看，電機軸用料正確，無錯料現(xiàn)象。

綜上，電機軸失效原因為補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)致電機軸扭轉(zhuǎn)疲勞失效。

4、結(jié)論

電機軸失效的原因為軸頸位置補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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