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42CrMo軸承斷裂失效分析

2017-02-15  瀏覽量:1591

顯微實驗室

(深圳市美信檢測技術股份有限公司,深圳寶安,518108)

 

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:軸頸位置補焊後存在較大的熱應力,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於易應力集中位置,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

 

五十路

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,軸承損壞並更換過軸承,更換軸承後使用壹段時間發生斷軸,斷面正好與軸承背面貼平。如圖1所示,斷裂位置位於P1和P2之間,P2和P3本為壹體,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。

 

失效分析

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,斷口位於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、寬度壹致的摩擦痕跡,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,後續通過金相分析和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汙染物;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後撞擊摩擦形成;中心區域若幹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。

 

失效分析失效分析
圖2. 斷口位置外觀檢查圖3. 斷口匹配檢查
失效分析失效分析
圖4. P1斷口低倍觀察圖5. P2斷口低倍觀察
失效分析失效分析
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。

 

失效分析失效分析
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
失效分析失效分析
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
失效分析失效分析
圖12.P1斷口軸肩位置SEM觀察圖13.P1軸肩位置SEM放大觀察
失效分析失效分析
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
失效分析失效分析
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
失效分析失效分析
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%)

SpectrumCONaAlSiPClCaCrMnFeTotal
113.216.80.8/1.0/0.5///67.8100.0
25.45.0/0.91.30.5/0.71.30.684.2100.0

 

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)工藝後的硬度要求為≤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)

測試位置123平均值
外表面9.011.215.812.0
心部27.327.828.227.8

 

2.4 金相分析

如圖20-圖25所示,沿P1軸向做切片,拋光腐蝕後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,斷口位於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。

 

失效分析 
圖20.P2金相切片宏觀圖 
失效分析失效分析
圖21.補焊區金相檢查(50X)圖22.A區金相檢查(500X)
失效分析失效分析
圖23.B區金相檢查(500X)圖24.C區低金相檢查(100X)
失效分析 
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%)

元素測試結果(%)檢出限(%)3標準要求(%)
碳(C)0.41620.00100.38~0.45
硫(S)0.00530.0005≤0.25
矽(Si)0.25300.00100.17~0.37
錳(Mn)0.75950.00100.50~0.80
磷(P)0.01370.0010≤0.25
鉻(Cr)1.1450.00100.90~1.20
鎳(Ni)0.02980.0010≤0.30
鉬(Mo)0.17370.00100.15~0.25
銅(Cu)0.02420.0010≤0.20

 

3 理論分析

壹般軸頸補焊過程中要遵循的以下原則:

(1)由於所焊接的電機軸是經過調質處理的,在焊接加工後不可能對其進行恢復熱處理工藝,因此,焊接後的強度要達到或接近電機軸原有的機械性能,並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,為後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並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,斷口位於軸肩過渡圓角位置,該位置存在較多補焊後未焊合的缺口,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,影響範圍大,即補焊後殘留較高的熱應力。

後續SEM/EDS、金相分析確定斷裂起源於表面的未焊合的缺口,也是補焊後的熱影響區,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壹,可見電機軸在補焊後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後存在較大的熱應力,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於易應力集中位置,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

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[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)

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[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] 王英傑.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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