失效分析案例-主轴

发布日期：2022-03-28 16:18　浏览次数：

某型号滚型机主轴使用了大约11个月后，靠近轴承位置出现周向开裂，键槽末端两侧也有和轴线方向约呈45°的表面裂纹，其中一条裂纹已延伸超过周向裂纹。中转轴材质为42CrMo，调质热处理后再进行表面淬火热处理。调质热处理硬度为HRC28-32，表面硬度为HRC50-55。使用过程中受到交变扭转应力及弯曲应力。通过键连接传递扭转应力，键槽处为主要受力点。图1红框区轴承外侧为弯曲应力最大受力点。

为分析主轴断裂的根本原因，分别对断裂产品进行了化学成分分析、硬度测试、硬化层深度检测、非金属夹杂物检测、金相分析、晶粒度检测、断口形貌分析等相关测试。主轴简图及断裂区域如图1所示，断裂实物如图2-图4所示。

图1 主轴平面图及断裂区域

图2 断裂区整体形貌，可见周向贯穿裂纹

图3 键槽末端裂纹

图4 键槽末端裂纹1和周向裂纹相交

1. 化学成分分析：

测试方法：GB/T 4336-2016

元素	碳(C)	硅(Si)	锰(Mn)	磷(P)	硫(S)
要求(wt)(1)，%	0.38~0.45	0.17~0.37	0.50~0.80	≤0.030	≤0.030
结果(wt)，%	0.39	0.23	0.70	0.007	0.003
元素	铬(Cr)	镍(Ni)	钼(Mo)	铜(Cu)	结论
要求(wt)(1)，%	0.90~1.20	≤0.30	0.25~0.25	≤0.30	-
结果(wt)，%	1.10	0.03	0.18	0.04	符合

注：(1)根据GB/T 3077-2015中牌号42CrMo指定要求。

2. 硬度测试：

测试方法：GB/T 230.1-2018

测试项目	测试位置	要求(1)	结果			平均值	结论
HRC	外圆表面	50~55HRC	49.2	49.8	50.9	50.0	符合
			49.5	50.4	50.9	50.3	符合
			49.8	50.4	50.9	50.4	符合
	距表面20mm	28~32HRC	27.3	26.5	26.5	26.8	不符合

注：(1)根据客户指定要求。

3. 硬化层深度：

测试方法：GB/T 5617-2005

测试位置(距外圆表面) (mm)	结果 (HV1)
测试位置(距外圆表面) (mm)	位置 1	位置 2
0.5	501	521
1.0	528	522
1.5	548	529
2.0	557	543
2.5	551	552
3.0	562	542
3.5	261	261
4.0	268	255
硬化层深度(mm)	3.30	3.29

5. 非金属夹杂物测试:

测试方法：GB/T 10561-2005

发现细系及粗系D类和DS类氮化物夹杂，其他非金属夹杂物见下表。

项目	测试位置	类别 A		类别B		类别C		类别D		类别DS
项目	测试位置	细系	粗系	细系	粗系	细系	粗系	细系	粗系	类别DS
结果	截面	-	-	-	-	-	-	0.5	0.5	-

图5 细系和粗系D类夹杂物 100x

图6 细系及粗系D类和DS类氮化物夹杂 100x

6. 金相分析：

测试方法：GB/T 13298-2015&JB/T 9204-2008

腐蚀剂：4%硝酸酒精溶液

步骤1：从原始样品上制取试样；

步骤2：清洁，抛光，腐蚀；
步骤3：在显微镜下观察。

测试结果：

测试项目	测试位置	测试结果
金相分析	硬化层金相组织	细微马氏体(隐针马氏体)
金相分析	距表面10mm 金相组织	回火索氏体+针片状铁素体，部分铁素体呈魏氏组织形态。

图7硬化层金相组织照片 500x

图8 距表面10mm处金相组织照片 500x

6. 晶粒度测试：

测试方法：GB/T 6394-2017

腐蚀剂：饱和苦味酸盐酸水溶液

步骤1：从原始样品上制取试样；

步骤2：清洁，抛光，腐蚀；

步骤3：在显微镜下观察。

测试结果：

测试项目	测试位置	测试结果
晶粒度	硬化层	10.5级
晶粒度	距表面10mm	8.0级

图9 表面淬火层晶粒度 500x

图10 距表面10mm晶粒度 500x

7.断口形貌分析：

测试方法：SEM

周向断口宏观形貌如图11所示，整个断口根据宏观形貌特点可区分为两个区域，左下的光洁区和右上的粗糙区。在光洁区的左下发现如图12所示的源于表面的贝纹状疲劳裂纹扩展形貌，左右两侧不同的扩展特点显示有两个不同的裂纹源。断口局部微观形貌见图13-图15。键槽处裂纹见图18，图18-图20显示，键槽裂纹也是疲劳裂纹。