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42CrMo軸承斷裂失效分析發(fā)布時間:2024-07-31   瀏覽量:117次

摘要:本文通過經(jīng)過對失效件進(jìn)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(jìn)行失效分析,找到失效原因為:軸頸位置補(bǔ)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(jī)軸,材質(zhì)為42CrMo,熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理,機(jī)加工順序為車、磨、銑。該電機(jī)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(yuǎn),不影響斷軸原因分析。

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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(jī)軸可能存在補(bǔ)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(rèn)外邊緣不同形貌位置為補(bǔ)焊層。

2.3 硬度試驗

按GB/T 230.1-2009標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)硬度換算表》標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成洛氏硬度約為20HRC,心部硬度偏高,外表面硬度偏低。

42CrMo軸承斷裂失效分析

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(bǔ)焊操作,斷口位于補(bǔ)焊邊緣的熱影響區(qū),將圖中不同組織區(qū)域依次標(biāo)記為A、B、C:A為補(bǔ)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)要求,無錯料現(xiàn)象。

3、理論分析

一般軸頸補(bǔ)焊過程中要遵循的以下原則:

(1)由于所焊接的電機(jī)軸是經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的,在焊接加工后不可能對其進(jìn)行恢復(fù)熱處理工藝,因此,焊接后的強(qiáng)度要達(dá)到或接近電機(jī)軸原有的機(jī)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(jī)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(bǔ)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(bǔ)焊過程中受熱程度特別高,影響范圍大,即補(bǔ)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(bǔ)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(yán)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(qiáng)度,也是熱應(yīng)力殘留較高的特征之一,可見電機(jī)軸在補(bǔ)焊后未能消除熱應(yīng)力影響。

從硬度上看,參考GB/T 3077-199標(biāo)準(zhǔn),心部受焊接熱影響,導(dǎo)致硬度偏高。

從成分上看,電機(jī)軸用料正確,無錯料現(xiàn)象。

綜上,電機(jī)軸失效原因為補(bǔ)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(jī)軸扭轉(zhuǎn)疲勞失效。

4、結(jié)論

電機(jī)軸失效的原因為軸頸位置補(bǔ)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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