试验台架传动轴断裂失效分析

试验台架传动轴断裂失效分析

李梅花,孟晓昭,贾兰

吉利汽车集团有限公司 浙江宁波 315336

摘要：发动机试验台架传动轴在试验运行中未达到规定服役寿命断裂失效，通过对传动轴材料的的理化、力学性能测试及断口宏观、微观形貌观察，分析了传动轴断裂的断裂主要原因。结果表明：断裂形式为旋转弯曲疲劳断裂，断口呈现多源低周高应力疲劳特征，金相组织中未溶铁素体占比大，致使传动轴硬度偏低，力学性能下降，加之传动轴工作运行中受异常的拉压应力最终导致轴早期断裂失效。

关键词：断裂、断口分析、轮胎压痕、金相组织、未溶铁素体、低周高应力疲劳

1、引言

断裂传动轴为发动机试验台架上的力矩传动轴，设计要求服役时间6000h，实际累计运行1300h。现需确认断裂原因。

2、理化检测

2.1 宏观形貌分析

图1（a）（b）为传动轴的两部分断口的宏观形貌，断裂位置在杆部的过渡圆弧结束处如图1（c）箭头所指，断口较为粗糙，高低起伏较大，部分擦伤，擦伤部分区域有高温氧化色，表明断裂之后两部分断口受到较大力的相互撞击摩擦，箭头所指位置保留原始形貌，可对其进一步做SEM分析。

图1断口宏观

2.2化学成分及硬度测试

在靠近断口位置对传动轴进行取样，采用直读光谱仪进行成分分析，用洛氏硬度计在圆柱形试样横截面的1/4直径位置测试洛氏硬度 ，结果如表1-2所示，材料为42CrMo，硬度要求（22-30）HRC，实测平均值为23.3HRC，硬度偏下限。

表1 化学元素

表2 硬度

2.3力学性能测试

  在断裂轴杆部上按GB/T 2975 规定取样，制作拉伸试棒，用万能材料试验机进行拉伸试验，力学性能测试结果如表3所示。拉伸强度及屈服强度（Rp0.2）均远低于技术要求。

表3力学性能

2.4金相检测

图2 为样件的金相组织图片，金相组织为回火索氏体+未溶铁素体，且未溶铁素体占比较多，说明材料热处理工艺不当，或是淬火前处理未使组织均匀化，或是淬火加热温度过低或保温不足。金相组织中存在较多的未溶铁素体降低了材料硬度及力学性能。另外传动轴表面有3μm左右的镀层，经能谱分析确定镀层材料为 Cr，镀铬提高了传动轴表面的硬度及耐磨性，从而提高轴的使用寿命。

图2 金相组织

2.4断口分析

分别对两部分断口进行SEM 观察如图3所示，1#断口表面几个大沟壑之间均为疲劳形貌，疲劳源位于样品表面，疲劳辉纹间距较大，在沟壑结束的平坦区域呈撕裂韧窝形貌，其余较平坦区域均已磨损，无法识别原始形貌。磨损位置先断裂，2#断口与1#断口位置相匹配的磨损区域内，找到保留原始形貌的部分断面，断口形貌为“轮胎压痕”的疲劳纹，说明先断区域为低周疲劳断裂，断口对称两侧均存疲劳特征，断口高低起伏大，说明传动轴在工作中承受应力较大且存在拉-压应力。

3断裂原因分析：

1、传动轴的材质为42CrMo，经调质处理，表面镀铬，适合作为轴类材料使用；调质后的金相组织不理想，致使材料力学性能未达到技术要求，是导致早期断裂的原因之一。

2、断口高低起伏，一周多处存在疲劳源，且多个疲劳源处于沟壑之间，说明零件受到了拉-压应力。疲劳区塑性变形大，先断裂的区域存在的“轮胎压痕”的疲劳纹，后断裂的疲劳区域疲劳纹间距大，均为低周高应力疲劳的典型特征。

综上所述，此试验台架传动轴金相组织中未溶铁素体占比较多，导致材料强度降低；传动轴工作中受到旋转、弯曲应力，形成低周高应力疲劳断裂。，受力异常加之材料力学性能不符合技术要求是断裂失效的主要因素。

参考文献：

1蒋小松 杨川 高国庆 崔国栋 金属材料零部件失效分析基础与应用 成都 西南交通大学出版社 2021

2樊东黎 徐跃明 佟晓辉 热处理工程师手册 北京 机械工业出版社 2005

3王荣 机械装备的失效分析 理化检验-物理分册 2016年52卷