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42CrMo轴承断裂失效分析

2017-02-15  

显微实验室

(深圳市美信检测技术股份有限公司,深圳宝安,518108)

 

摘要:本文通过经过对失效件进行外观检查、SEM+EDS检查、硬度试验、金相分析化学成分分析等方法,找到失效原因为:轴颈位置补焊后存在较大的热应力,轴肩过渡圆角位置存在未焊合的缺口,加上轴肩过渡圆角属于易应力集中位置,在扭力作用下未焊合的缺口成为疲劳源,最终导致扭转疲劳断裂失效。

 

关键词 :SEM+EDS;硬度试验;金相分析;化学成分分析;疲劳断裂

 

1 前言

失效件为汽车电机轴,材质为42CrMo,热处理工艺为调质处理,机加工顺序为车、磨、铣。该电机轴在使用4年左右,轴承损坏并更换过轴承,更换轴承后使用一段时间发生断轴,断面正好与轴承背面贴平。如图1所示,断裂位置位于P1和P2之间,P2和P3本为一体,厂家已将P2、P3之间部分锯切掉,此部分距离断口较远,不影响断轴原因分析。

 

失效分析

图1.电机轴

 

2 检查分析

2.1 外观检查

如图2、图3所示,断口两部分能无缝对接,无明显塑性变形;P1靠近断口部分表面呈高温氧化色,大约占半根轴的长度,断口位于大径与小径几何尺寸突变台阶的R角。

如图4、图5所示,P1断口外圈亮色且有同心圆周痕的位置为轴肩台阶面,靠近外表面有熔珠状金属黏附在表面,熔珠呈高温氧化色;断口外圈基本上已被摩擦撞击破坏,只有中间区域断口完好,可观察到明显的扭转疲劳条纹。

如图6所示,P2表面具有明显圆周方向、宽度一致的摩擦痕迹,摩擦痕较浅,为轴颈位置;在轴颈的两侧可观察到明显未熔合金属层,结合P1断口表面存在熔珠现象,推断电机轴可能存在补焊,后续通过金相分析和SEM/EDS分析再验证。

如图7所示, P2断口平整,断面与轴向垂直,断口外表面多处存在缺口及裂纹,缺口内表面呈氧化色且有较多污染物;断口外圈光滑且呈暗色,占整个断口面积3/4左右,部分亮色区域为断轴后撞击摩擦形成;中心区域若干同心圆状的扭转疲劳条纹,占整个断口面积1/4左右,呈扭转疲劳特征。

 

失效分析 失效分析
图2. 断口位置外观检查 图3. 断口匹配检查
失效分析 失效分析
图4. P1断口低倍观察 图5. P2断口低倍观察
失效分析 失效分析
图6. P2外圆周检查 图7.P2断口低倍观察

 

2.2 SEM+EDS检查

如图8-图13所示,P1断口边缘为轴肩位置,可观察到明显的熔珠;断口外圈大部分区域已被摩擦撞击破坏,未破坏区域呈暗色,表面光滑,为穿晶解理特征;断口心部可观察到明显的同心圆形疲劳条带,为扭转疲劳断口。

如图14-图19所示,P2断口形貌与P1类似,外边存在较多缺口,对缺口金相EDS微区成分分析,结果见表1,外边缘成分与心部成分存在差异(外边缘不含Cr、Mn),确认外边缘不同形貌位置为补焊层。

 

失效分析 失效分析
图8.P1断口中间位置SEM观察 图9.P1断口中间位置SEM放大观察
失效分析 失效分析
图10.P1断口1/2位置SEM观察 图11.P1断口1/2位置SEM放大观察
失效分析 失效分析
图12.P1断口轴肩位置SEM观察 图13.P1轴肩位置SEM放大观察
失效分析 失效分析
图14.P2断口中间位置SEM观察 图15.P2断口中间位置SEM放大观察
失效分析 失效分析
图16.P2断口边缘位置SEM观察 图17.P2断口边缘位置SEM放大观察
失效分析 失效分析
图18.图17中位置1的EDS测试谱图 图19.图17中位置2的EDS测试谱图

 

表1.P2断口边缘EDS分析结果(wt%)

Spectrum C O Na Al Si P Cl Ca Cr Mn Fe Total
1 13.2 16.8 0.8 / 1.0 / 0.5 / / / 67.8 100.0
2 5.4 5.0 / 0.9 1.3 0.5 / 0.7 1.3 0.6 84.2 100.0

 

2.3 硬度试验

按GB/T 230.1-2009标准方法检验失效件横截面心部和外表面硬度,结果记入表2。

GB/T 3077-199中42CrMo的淬火+回火(调质处理)工艺后的硬度要求为≤217HBW,参照ASTM E140-05E1《金属标准硬度换算表》标准转换成洛氏硬度约为20HRC,心部硬度偏高,外表面硬度偏低。

 

表2. 硬度检查结果(HRC)

测试位置 1 2 3 平均值
外表面 9.0 11.2 15.8 12.0
心部 27.3 27.8 28.2 27.8

 

2.4 金相分析

如图20-图25所示,沿P1轴向做切片,抛光腐蚀后发现轴表面与心部组织具有不同组织,界限明显,确定轴承装配位置存在补焊操作,断口位于补焊边缘的热影响区,将图中不同组织区域依次标记为A、B、C:A为补焊熔融区,B为轴热影响区,C为轴基材,金相组织依次:A区为网状、粗针状铁素体+粒状和针状马氏体+针片状魏氏体,按GB/T1329-1991评定魏氏体组织为B系列5级;B区为少量粒状体铁素体基体珠光体;C区为少量针状魏氏体+保留马氏体位向的针状索氏体,心部带状组织明显,按GB/T1329-1991评定带状组织级别为C系列5级。

 

失效分析  
图20.P2金相切片宏观图  
失效分析 失效分析
图21.补焊区金相检查(50X) 图22.A区金相检查(500X)
失效分析 失效分析
图23.B区金相检查(500X) 图24.C区低金相检查(100X)
失效分析  
图25.心部金相检查(500X)  

 

2.5 化学成分分析  

采用ICP分析电机轴材质成分,分析结果见表3,与GB/T 3077-1999对照,符合42CrMo牌号钢材的标准要求,无错料现象。

 

表3:化学元素分析结果(wt%)

元素 测试结果(%) 检出限(%) 3标准要求(%)
碳(C) 0.4162 0.0010 0.38~0.45
硫(S) 0.0053 0.0005 ≤0.25
硅(Si) 0.2530 0.0010 0.17~0.37
锰(Mn) 0.7595 0.0010 0.50~0.80
磷(P) 0.0137 0.0010 ≤0.25
铬(Cr) 1.145 0.0010 0.90~1.20
镍(Ni) 0.0298 0.0010 ≤0.30
钼(Mo) 0.1737 0.0010 0.15~0.25
铜(Cu) 0.0242 0.0010 ≤0.20

 

3 理论分析

一般轴颈补焊过程中要遵循的以下原则:

(1)由于所焊接的电机轴是经过调质处理的,在焊接加工后不可能对其进行恢复热处理工艺,因此,焊接后的强度要达到或接近电机轴原有的机械性能,并在焊接过程中采取合理措施减小热影响区的软化。

(2)尽可能减小焊接变形,为后续的机加工带来方便。

(3)碳量及合金元素含量较高,焊接时有较大的热裂纹敏感性并有较大的冷裂纹倾向,焊接时应避免焊接裂纹的产生。

从外观检查及低倍分析可知,断口位于轴肩过渡圆角位置,该位置存在较多补焊后未焊合的缺口,且缺口的尺寸较大,约半根轴表面呈高温氧化色,说明在补焊过程中受热程度特别高,影响范围大,即补焊后残留较高的热应力。

后续SEM/EDS、金相分析确定断裂起源于表面的未焊合的缺口,也是补焊后的热影响区,呈多源分布特征。熔融区存在较多的魏氏体组织,心部也存在少量魏氏体组织和和较严重的带状组织,魏氏体组织塑性差、韧性低,会明显降低轴的强度,也是热应力残留较高的特征之一,可见电机轴在补焊后未能消除热应力影响。

从硬度上看,参考GB/T 3077-199标准,心部受焊接热影响,导致硬度偏高。

从成分上看,电机轴用料正确,无错料现象。

综上,电机轴失效原因为补焊位置存在较大热应力,且易应力集中的轴肩过渡圆角位置存在表面缺陷,受扭力作用条件下在表面缺口缺陷位置疲劳起源开裂,导致电机轴扭转疲劳失效。

 

4 结论

电机轴失效的原因为轴颈位置补焊后存在较大的热应力,轴肩过渡圆角位置存在未焊合的缺口,加上轴肩过渡圆角属于易应力集中位置,在扭力作用下未焊合的缺口成为疲劳源,最终导致扭转疲劳断裂失效。

 

5 参考文献

[1] 刘群奇等.40Cr电机轴的焊补及焊后加工工艺[J]. 《煤矿机械》.2010.31(7)

[2] 杨立飞.核电厂通风系统电机轴断裂根本原因分析[J]. 核动力工程. 2013.34(3)

[3] 巴发海.精轧机电机轴断裂原因分析[J].机械工程材料.2010.34(8) 

[4] 李东林.内燃机车牵引电机轴断裂分析及解决方案.2014.11

[5] 李亚江.实用焊接技术手册[K].石家庄:河北技术出版社,2002.

[6] 成大先.机械设计手册[K].北京:化学工业出版社,2002.

[7] 陈渝川.焊接工艺评定手册[K].北京:机械工业出版社,1999.

[8] 王英杰.金属材料及热处理[M].北京:机械工业出版社,2006.

[9] 李炯辉.金属材料金相图谱[M].北京:机械工业出版社,2006.

 

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