作为动力传递与运动系统的“骨骼”，轴类零件（如曲轴、半轴、传动轴、转向节臂等）承担着扭矩传递、载荷支撑及精密运动导向的核心功能。其失效不仅会导致机械、设备或车辆动力中断、操控失稳，更可能引发严重安全事故；同时，频繁的非预期失效也会大幅增加零部件制造企业的售后成本及品牌声誉损失。
本文将从技术视角系统解析轴类零件的常见失效模式、分析方法及典型案例，为您揭示“如何通过科学失效分析实现质量改进与风险防控”。
一、轴类零件的常见失效模式
轴类零件的失效本质是材料性能、工况载荷与环境条件共同作用下的失效行为，常见模式可分为以下几类：
1. 疲劳断裂（占比70%以上）
疲劳断裂是轴类零件最主要的失效形式，尤其在承受循环载荷的曲轴、传动轴、半轴等部件中高发。其特点是：
1）裂纹源：多位于应力集中区域。
2）断口特征：宏观可见“贝纹线”与“瞬断区”；微观表现为疲劳辉纹及韧窝形貌。
3）触发因素：循环应力幅值超标、表面加工缺陷（刀痕、磕碰伤）等。
2. 磨损失效
磨损主要发生在滑动或滚动接触的轴类部件（如轮毂轴承轴颈、变速器输出轴），按机理可分为：
1）磨粒磨损：外界硬质颗粒（泥沙、金属碎屑）嵌入摩擦副表面，划伤接触区。
2）粘着磨损：接触表面因高温高压发生金属粘合，随相对运动撕裂形成沟槽。
3）微动磨损：轴与配合件（如轴承、齿轮）在振动载荷下发生微幅相对滑动，导致表面氧化-磨损循环，最终出现红锈色磨屑（Fe₂O₃为主）。其它失效模式还有变形失效、腐蚀失效等。
二、轴类零件失效分析方法
针对轴类零件的失效，采用“信息采集-宏观初判-微观验证-机理溯源-改进建议”的全流程分析框架，结合多维度检测技术，精准定位失效根因。以下为核心步骤：
1. 信息采集与失效场景还原
1）基础信息：零件材料（牌号、热处理状态）、尺寸公差、表面处理等。
2）工况数据：使用环境（温度、湿度、腐蚀介质）、载荷谱（最大/最小扭矩、循环频率）、匹配部件（如轴承型号、齿轮齿数等）。
3）历史记录：生产批次、装配工艺、维修记录（是否更换过配件）。
2. 宏观与无损检测：锁定失效位置与类型
1）外观检查：观察裂纹位置、磨损形态、腐蚀产物颜色等。
2）无损检测：磁粉探伤、渗透检测、工业CT等。
3）尺寸测量：三坐标测量（圆度、圆柱度、键槽对称度）；
3. 失效模式判断
根据送检轴类样品状态宏观分析初步判断失效大类，如断裂/开裂、磨损、变形、还是腐蚀等，然后进一步微观分析，对失效模式进行确认。
4. 材料与性能分析：验证制造符合性
1）化学成分分析：直读光谱仪；
2）力学性能：室温/高温拉伸、冲击韧性、硬度、扭转强度等；
3）微观组织：金相分析（观察晶粒度、表面脱碳层等）。
失效分析工程师将以上各部分数据归纳总结，得出导致失效的原因，然后与专家顾问团队讨论确保分析结论准确，并提出针对性改进建议。
三、典型案例
某曲轴单拐台架疲劳试验早期开裂分析
某曲轴（材料C38N2）单拐疲劳试验5.96万次在连杆颈圆角与端面相交处开裂。图1a为试验单拐外观，箭头所示为裂纹位置，裂纹打开后断口微观观形貌如图1b，放射纹均收敛指向表面，为圆角附近表面线起源疲劳开裂。
取断口源区截面金相样品，制样腐蚀后观察如图1c，断口源区附近轴肩表面存在磨削烧伤层，图1d在金相显微镜下测试磨削烧伤层深度约0.14mm。曲轴表面磨削烧伤层测试硬度为448-473HV0.2，表面正常区域测试硬度为567-578 HV0.2，磨削烧伤区域硬度明显降低。分析认为，曲轴单拐早期疲劳开裂为表面磨削烧伤，疲劳强度降低导致。建议改进曲轴磨削工艺，对磨削过程冷却润滑进行合理控制。
曲轴开裂分析过程照片
