42CrMo电机轴断裂失效分析

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。

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。

图2. 断口位置外观检查	图3. 断口匹配检查
图4. P1断口低倍观察	图5. P2断口低倍观察
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。

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
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
图12.P1断口轴肩位置SEM观察	图13.P1轴肩位置SEM放大观察
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
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
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%）

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）

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。

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

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。

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