軸類零件廣泛運用于各類機械設備中，如支承齒輪、連桿等傳動件，用于傳遞扭矩或彎矩，在設備中發揮著重要的作用。目前，碳素鋼、合金鋼是運用較為廣泛的軸類零件材料，其中45鋼經過調質處理后，由于綜合力學性能較高(切削加工性較好、強韌性較高)，且價格低、來源廣，因此是軸類零件的常用材料。

      某廠使用調質處理的45鋼加工生產線上電動旋轉臺的傳動電機軸，該旋轉臺90°往返擺動用于連接兩條垂直生產線，安裝后使用了近25個月后傳動電機軸(以下簡稱傳動軸)發生早期斷裂，該傳動軸的設計壽命為20 a(年)。調查發現，該廠共有8件這類傳動軸同步安裝使用，目前有1件傳動軸斷裂。為找到該傳動軸的斷裂原因，研究人員對該軸進行了宏觀與微觀分析、化學成分分析、金相檢驗、硬度測試等，并提出改進措施，為改善傳動軸性能提供參考，避免該類故障再次發生。

01理化檢驗

1.1宏觀分析

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

圖1 斷裂傳動軸宏觀形貌

圖2 斷裂傳動軸的設計圖紙

圖3 斷裂傳動軸斷口宏觀形貌

      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，根據不同形貌特征，可將斷口劃分為A，B，C 3個區域，A區域為裂紋源區，處于臺階一周表面邊緣，裂紋源區可見放射狀棱線，是應力集中引發的多源疲勞；B區域為裂紋擴展區，表面較為平滑，可見疲勞條紋；C區域為瞬斷區，該區域明顯偏離軸心位置，表面粗糙不平，且該區域面積占斷口整體的1/4左右。對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彎曲疲勞斷口特征。

1.2微觀分析

     使用掃描電鏡(SEM)對斷裂傳動軸的斷口進行微觀分析。圖3中A，B，C3個區域對應的SEM形貌分別如圖4~6所示。圖4為裂紋源區SEM形貌，可見軸邊緣處存在明顯的臺階。圖5為裂紋擴展區SEM形貌，可見疲勞條紋，呈疲勞斷裂特征。瞬斷區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SEM形貌

圖5 斷口裂紋擴展區SEM形貌

圖6 斷口瞬斷區SEM形貌

1.3化學成分分析

     在斷口附近取樣，使用直讀光譜儀對斷裂傳動軸進行化學成分分析，該傳動軸的化學成分符合GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》對45鋼的要求。

1.4硬度測試

     在斷裂傳動軸上截取硬度測試試樣，分別對圖3中的A，C區域，即表面與心部，進行維氏硬度測試。測得表面硬度為195HV1.0，心部硬度為192HV1.0，根據GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》的要求，將維氏硬度換算成洛氏硬度，結果均小于20HRC，低于零件45鋼調質處理后硬度為28~32HRC的要求。

1.5金相檢驗

     觀察傳動軸斷口處表面與心部的顯微組織形貌，結果如圖7，8所示。可見表面與心部的顯微組織均為珠光體+網狀和塊狀鐵素體，表明該傳動軸調質處理不合格。

圖7 斷裂傳動軸表面顯微組織形貌

圖8 斷裂傳動軸心部顯微組織形貌

02分析與討論

      根據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。而設計圖紙顯示，斷裂處倒圓半徑設計值為1.5mm，低于標準推薦值，為軸變徑處形成較大的應力集中提供條件。

     斷裂位置在兩段軸的過渡位置，斷口形貌表明，傳動軸呈典型的旋轉彎曲疲勞斷裂特征。疲勞裂紋起源于軸肩根部，從表面向心部擴展直至最終斷裂。斷口形貌中瞬斷區面積占比較大，表明傳動軸斷裂時受到了相對于零件許用強度而言較大的名義應力。結合斷口形貌與傳動軸已穩定運行25個月之久可知，零件受到異常高應力載荷的可能性不大；而基于上述檢驗結果判斷，斷口中瞬斷區面積占比較大是基體強度低所致。

     斷裂傳動軸顯微組織為珠光體+鐵素體，硬度明顯低于技術要求，說明零件熱處理不當，沒有達到調質處理狀態，導致抗疲勞強度顯著下降，也是瞬斷區面積占比較大的內在因素。

03結論及建議

      傳動軸的失效性質為旋轉彎曲疲勞斷裂。該傳動軸早期斷裂的主要原因包括兩個方面：(1)軸肩根部倒圓半徑較小，引起應力集中；(2)傳動軸使用的45鋼材料調質處理不合格，顯微組織沒有達到要求，導致零件抗疲勞強度顯著下降，最終在交變載荷下發生斷裂。

     建議首先對同期投入使用的其余7件傳動軸進行排查，其次后期對此類45鋼傳動軸嚴格進行調質處理，或更換淬透性更好的材料(如40Cr，35CrMo等)，同時增加軸臺階根部過渡弧的半徑，以減少應力集中。

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-物理分冊》2021年第7期