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  軸類零件廣泛運(yùn)用于各類機(jī)械設(shè)備中，如支承齒輪、連桿等傳動(dòng)件，用于傳遞扭矩或彎矩，在設(shè)備中發(fā)揮著重要的作用。目前，碳素鋼、合金鋼是運(yùn)用較為廣泛的軸類零件材料，其中45鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，由于綜合力學(xué)性能較高(切削加工性較好、強(qiáng)韌性較高)，且價(jià)格低、來源廣，因此是軸類零件的常用材料。

 

      某廠使用調(diào)質(zhì)處理的45鋼加工生產(chǎn)線上電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的傳動(dòng)電機(jī)軸，該旋轉(zhuǎn)臺(tái)90°往返擺動(dòng)用于連接兩條垂直生產(chǎn)線，安裝后使用了近25個(gè)月后傳動(dòng)電機(jī)軸(以下簡(jiǎn)稱傳動(dòng)軸)發(fā)生早期斷裂，該傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)壽命為20 a(年)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該廠共有8件這類傳動(dòng)軸同步安裝使用，目前有1件傳動(dòng)軸斷裂。為找到該傳動(dòng)軸的斷裂原因，研究人員對(duì)該軸進(jìn)行了宏觀與微觀分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試等，并提出改進(jìn)措施，為改善傳動(dòng)軸性能提供參考，避免該類故障再次發(fā)生。

 

01理化檢驗(yàn)

 

1.1宏觀分析

 

     斷裂傳動(dòng)軸宏觀形貌如圖1所示，可見傳動(dòng)軸的斷裂位置在軸的臺(tái)階根部，沒有明顯塑性變形，斷口垂直于軸線。圖2為該傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)圖紙，圖1中的斷裂位置對(duì)應(yīng)圖2中的變徑過渡臺(tái)階處，圖紙顯示兩段軸的直徑分別為50mm和55mm，過渡臺(tái)階處為半徑1.5mm 的倒圓。

 

 

圖1 斷裂傳動(dòng)軸宏觀形貌

 

 

圖2 斷裂傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)圖紙

 

 

圖3 斷裂傳動(dòng)軸斷口宏觀形貌

 

      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(jù)不同形貌特征，可將斷口劃分為A，B，C 3個(gè)區(qū)域，A區(qū)域?yàn)榱鸭y源區(qū)，處于臺(tái)階一周表面邊緣，裂紋源區(qū)可見放射狀棱線，是應(yīng)力集中引發(fā)的多源疲勞；B區(qū)域?yàn)榱鸭y擴(kuò)展區(qū)，表面較為平滑，可見疲勞條紋；C區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)，該區(qū)域明顯偏離軸心位置，表面粗糙不平，且該區(qū)域面積占斷口整體的1/4左右。對(duì)比圓形截面零件在不同載荷下的典型疲勞斷口特征，此斷口形貌符合旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口特征。

 

1.2微觀分析

 

     使用掃描電鏡(SEM)對(duì)斷裂傳動(dòng)軸的斷口進(jìn)行微觀分析。圖3中A，B，C3個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的SEM形貌分別如圖4~6所示。圖4為裂紋源區(qū)SEM形貌，可見軸邊緣處存在明顯的臺(tái)階。圖5為裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌，可見疲勞條紋，呈疲勞斷裂特征。瞬斷區(qū)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(qū)SEM形貌

 

 

圖5 斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌

 

 

圖6 斷口瞬斷區(qū)SEM形貌

 

1.3化學(xué)成分分析

 

     在斷口附近取樣，使用直讀光譜儀對(duì)斷裂傳動(dòng)軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，該傳動(dòng)軸的化學(xué)成分符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)45鋼的要求。

 

1.4硬度測(cè)試

 

     在斷裂傳動(dòng)軸上截取硬度測(cè)試試樣，分別對(duì)圖3中的A，C區(qū)域，即表面與心部，進(jìn)行維氏硬度測(cè)試。測(cè)得表面硬度為195HV1.0，心部硬度為192HV1.0，根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》的要求，將維氏硬度換算成洛氏硬度，結(jié)果均小于20HRC，低于零件45鋼調(diào)質(zhì)處理后硬度為28~32HRC的要求。

 

1.5金相檢驗(yàn)

 

     觀察傳動(dòng)軸斷口處表面與心部的顯微組織形貌，結(jié)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(wǎng)狀和塊狀鐵素體，表明該傳動(dòng)軸調(diào)質(zhì)處理不合格。

 

 

圖7 斷裂傳動(dòng)軸表面顯微組織形貌

 

 

圖8 斷裂傳動(dòng)軸心部顯微組織形貌

 

02分析與討論

 

      根據(jù)GB/T 6403.4—2008《零件倒圓與倒角》的要求，直徑為50~80mm零件的倒圓推薦半徑為2.0mm。而設(shè)計(jì)圖紙顯示，斷裂處倒圓半徑設(shè)計(jì)值為1.5mm，低于標(biāo)準(zhǔn)推薦值，為軸變徑處形成較大的應(yīng)力集中提供條件。

 

     斷裂位置在兩段軸的過渡位置，斷口形貌表明，傳動(dòng)軸呈典型的旋轉(zhuǎn)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(kuò)展直至最終斷裂。斷口形貌中瞬斷區(qū)面積占比較大，表明傳動(dòng)軸斷裂時(shí)受到了相對(duì)于零件許用強(qiáng)度而言較大的名義應(yīng)力。結(jié)合斷口形貌與傳動(dòng)軸已穩(wěn)定運(yùn)行25個(gè)月之久可知，零件受到異常高應(yīng)力載荷的可能性不大；而基于上述檢驗(yàn)結(jié)果判斷，斷口中瞬斷區(qū)面積占比較大是基體強(qiáng)度低所致。

 

     斷裂傳動(dòng)軸顯微組織為珠光體+鐵素體，硬度明顯低于技術(shù)要求，說明零件熱處理不當(dāng)，沒有達(dá)到調(diào)質(zhì)處理狀態(tài)，導(dǎo)致抗疲勞強(qiáng)度顯著下降，也是瞬斷區(qū)面積占比較大的內(nèi)在因素。

 

03結(jié)論及建議

 

      傳動(dòng)軸的失效性質(zhì)為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。該傳動(dòng)軸早期斷裂的主要原因包括兩個(gè)方面：(1)軸肩根部倒圓半徑較小，引起應(yīng)力集中；(2)傳動(dòng)軸使用的45鋼材料調(diào)質(zhì)處理不合格，顯微組織沒有達(dá)到要求，導(dǎo)致零件抗疲勞強(qiáng)度顯著下降，最終在交變載荷下發(fā)生斷裂。

 

     建議首先對(duì)同期投入使用的其余7件傳動(dòng)軸進(jìn)行排查，其次后期對(duì)此類45鋼傳動(dòng)軸嚴(yán)格進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，或更換淬透性更好的材料(如40Cr，35CrMo等)，同時(shí)增加軸臺(tái)階根部過渡弧的半徑，以減少應(yīng)力集中。

 

作者：趙美玲1，馮飛龍2，詹忠2，吳晶1

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來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2021年第7期