45钢传动轴突然断裂的原因
轴类零件广泛运用于各类机械设备中，如支承齿轮、连杆等传动件，用于传递扭矩或弯矩，在设备中发挥着重要的作用。目前，碳素钢、合金钢是运用较为广泛的轴类零件材料，其中45钢经过调质处理后，由于综合力学性能较高(切削加工性较好、强韧性较高)，且价格低、来源广，因此是轴类零件的常用材料。
某厂使用调质处理的45钢加工生产线上电动旋转台的传动电机轴，该旋转台90°往返摆动用于连接两条垂直生产线，安装后使用了近25个月后传动电机轴(以下简称传动轴)发生早期断裂，该传动轴的设计寿命为20 a(年)。调查发现，该厂共有8件这类传动轴同步安装使用，目前有1件传动轴断裂。为找到该传动轴的断裂原因，来自广汽乘用车(杭州)有限公司 和广汽乘用车有限公司的赵美玲、冯飞龙等研究人员对该轴进行了宏观与微观分析、化学成分分析、金相检验、硬度测试等，并提出改进措施，为改善传动轴性能提供参考，避免该类故障再次发生。
01 理化检验 1.1 宏观分析 断裂传动轴宏观形貌如图1所示，可见传动轴的断裂位置在轴的台阶根部，没有明显塑性变形，断口垂直于轴线。图2为该传动轴的设计图纸，图1中的断裂位置对应图2中的变径过渡台阶处，图纸显示两段轴的直径分别为50mm和55mm，过渡台阶处为半径1.5mm 的倒圆。 图1 断裂传动轴宏观形貌 图2 断裂传动轴的设计图纸 图3 断裂传动轴断口宏观形貌 断口宏观形貌如图3所示，可见断口表面较为平整，无明显塑性变形，根据不同形貌特征，可将断口划分为A，B，C 3个区域，A区域为裂纹源区，处于台阶一周表面边缘，裂纹源区可见放射状棱线，是应力集中引发的多源疲劳；B区域为裂纹扩展区，表面较为平滑，可见疲劳条纹；C区域为瞬断区，该区域明显偏离轴心位置，表面粗糙不平，且该区域面积占断口整体的1/4左右。对比圆形截面零件在不同载荷下的典型疲劳断口特征，此断口形貌符合旋转弯曲疲劳断口特征。 1.2 微观分析 使用扫描电镜(SEM)对断裂传动轴的断口进行微观分析。图3中A，B，C3个区域对应的SEM形貌分别如图4~6所示。图4为裂纹源区SEM形貌，可见轴边缘处存在明显的台阶。图5为裂纹扩展区SEM形貌，可见疲劳条纹，呈疲劳断裂特征。瞬断区SEM形貌如图6所示，可见主要呈解理和少量韧窝形貌。 1.3 化学成分分析 在断口附近取样，使用直读光谱仪对断裂传动轴进行化学成分分析，该传动轴的化学成分符合GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》对45钢的要求。 1.4 硬度测试 在断裂传动轴上截取硬度测试试样，分别对图3中的A，C区域，即表面与心部，进行维氏硬度测试。测得表面硬度为195HV1.0，心部硬度为192HV1.0，根据GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》的要求，将维氏硬度换算成洛氏硬度，结果均小于20HRC，低于零件45钢调质处理后硬度为28~32HRC的要求。 1.5 金相检验 观察传动轴断口处表面与心部的显微组织形貌，结果如图7，8所示。可见表面与心部的显微组织均为珠光体+网状和块状铁素体，表明该传动轴调质处理不合格。 图7 断裂传动轴表面显微组织形貌 图8 断裂传动轴心部显微组织形貌
