传动轴断裂失效分析

来源:广东省韶铸集团有限公司作者:周薇

三条传动轴在使用过程中先后发生断裂。采用光谱分析、断口分析和金相检验等方法对断裂轴进行了分析。结果表明,使用45 钢代替了设计材质40Cr 钢,而且未对45 钢轴进行有效的调质和表面渗氮,是导致该轴断裂失效的主要原因。该轴显微组织中存在网状铁素体,加速了该轴的早期断裂失效。

某公司的三条传动轴在装机使用不久后先后断裂,断裂位置均在键齿处,该轴直径250 ~ 320 mm,长1300 mm,设计材质为40Cr 钢,生产工艺流程为:下料→粗加工→调质处理→精加工→渗氮处理。我们对传动轴的断裂失效原因进行了分析。

1、理化检验

1.1、化学成分分析

在断口位置取样,依据GB /T 14203-1993《钢铁及合金光电发射光谱分析方法通则》,使用SPECTRO光谱仪对其进行化学成分分析。结果表明,该轴材质为45 钢,其化学成分不符合GB /T 3077-1999 标准对40Cr 钢的技术要求,见表1。

表1 传动轴的化学成分( 质量分数,%)

传动轴的化学成分

1.2、断口分析

该轴断口与轴线方向垂直,相对齐平,断口呈颗粒状,未见明显宏观塑性变形,断口上可见明显人字纹花样,是典型的脆性断裂,人字纹花样的走向表明裂纹源在键齿处,断口( 局部) 宏观形貌见图1。

2.3、金相检验

取样经打磨、抛光后观察到其非金属夹杂物为A1.0,B0,C0,D1.0,Ds0 ,偶见有大块状非金属夹杂物,见图2。浸蚀后观察其显微组织为索氏体+ 片状珠光体+ 网状、块状和针片状铁素体( 见图3) ,晶粒度为6.5 级,试样表面没有渗氮层( 见图4) ,说明该轴未进行有效的调质处理,也未进行表面氮化处理。断口边缘未见异常非金属夹杂物和脱碳现象,见图5。该轴表面硬度为25 ~ 27 HRC,基体硬度为10 ~ 13 HRC。

断口( 局部) 宏观形貌

图1 断口( 局部) 宏观形貌

大块状非金属夹杂物形貌

图2 大块状非金属夹杂物形貌

断裂轴显微组织形貌

图3 断裂轴显微组织形貌

断裂轴表面显微组织形貌

图4 断裂轴表面显微组织形貌

断口边缘组织形貌

图5 断口边缘组织形貌

2、分析与讨论

该轴设计材质为40Cr 钢,但实际上用的是45钢, 45 钢的淬透性明显不如40Cr 钢,强度比40Cr 钢约低20%,塑性、韧性也较40Cr 钢差。该轴表面未进行渗氮处理,而且未进行有效的调质处理,使得材料的强韧性和抗疲劳性明显不足;而且显微组织中存在网状和针片状铁素体,破坏了组织的连续性,致使基体强度明显降低,塑性、韧性下降。键齿加工处容易造成应力集中,因此首先在此产生开裂,并在以上因素的综合作用下,该轴发生了早期脆性断裂事故。

3、结论

由于使用了淬透性和强韧性较低的45 钢代替了设计材质40Cr 钢,而且未对45 钢轴进行有效的调质处理和表面渗氮处理,使得该轴的强韧性和抗疲劳性明显不足,热处理网(http://rechuli.chvacuum.com/)认为这是导致该轴早期断裂失效的主因;该轴显微组织中存在网状和针片状铁素体,破坏了组织的连续性,致使基体强度明显降低,塑性、韧性下降,加速了该轴的断裂失效。