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，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。

图4 断口裂纹源区SEM形貌

图5 断口裂纹扩展区SEM形貌

图6 断口瞬断区SEM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

02分析与讨论

      根据GB/T 6403.4—2008《零件倒圆与倒角》的要求，直径为50~80mm零件的倒圆推荐半径为2.0mm。而设计图纸显示，断裂处倒圆半径设计值为1.5mm，低于标准推荐值，为轴变径处形成较大的应力集中提供条件。

     断裂位置在两段轴的过渡位置，断口形貌表明，传动轴呈典型的旋转弯曲疲劳断裂特征。疲劳裂纹起源于轴肩根部，从表面向心部扩展直至最终断裂。断口形貌中瞬断区面积占比较大，表明传动轴断裂时受到了相对于零件许用强度而言较大的名义应力。结合断口形貌与传动轴已稳定运行25个月之久可知，零件受到异常高应力载荷的可能性不大；而基于上述检验结果判断，断口中瞬断区面积占比较大是基体强度低所致。

     断裂传动轴显微组织为珠光体+铁素体，硬度明显低于技术要求，说明零件热处理不当，没有达到调质处理状态，导致抗疲劳强度显著下降，也是瞬断区面积占比较大的内在因素。

03结论及建议

      传动轴的失效性质为旋转弯曲疲劳断裂。该传动轴早期断裂的主要原因包括两个方面：(1)轴肩根部倒圆半径较小，引起应力集中；(2)传动轴使用的45钢材料调质处理不合格，显微组织没有达到要求，导致零件抗疲劳强度显著下降，最终在交变载荷下发生断裂。

     建议首先对同期投入使用的其余7件传动轴进行排查，其次后期对此类45钢传动轴严格进行调质处理，或更换淬透性更好的材料(如40Cr，35CrMo等)，同时增加轴台阶根部过渡弧的半径，以减少应力集中。

作者：赵美玲1，冯飞龙2，詹忠2，吴晶1

单位：1.广汽乘用车(杭州)有限公司；2.广汽乘用车有限公司

来源：《理化检验-物理分册》2021年第7期