42CrMo轴承断裂失效分析.docx
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42CrMo轴承断裂失效分析
42CrMo轴承断裂失效分析
显微实验室
〔深圳市美信检测技术股份，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，断面正好与轴承反面贴平。
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靠近断口部分外表呈高温氧化色，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，靠近外外表有熔珠状金属黏附在外表，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外表具有明显圆周方向、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断口外表存在熔珠现象，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，断口外外表多处存在缺口及裂纹，缺口内外表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；中心区域假设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
2.2SEM+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，外表光滑，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%〕
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/T230.1-2009标准方法检验失效件横截面心部和外外表硬度，结果记入表2。
GB/T3077-199中42CrMo的淬火+回火〔调质处理〕工艺后的硬度要求为≤217HBW，参照ASTME140-05E1《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，外外表硬度偏低。
表2.硬度检查结果〔HRC〕
测试位置
1
2
3
平均值
外外表
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,抛光腐蚀后发现轴外表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/T3077-1999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，焊接后的强度要到达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，焊接时应防止焊接裂纹的产生。
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，约半根轴外表呈高温氧化色，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外表的未焊合的缺口，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/T3077-199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外表缺陷，受扭力作用条件下在外表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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