42CrMo轴承断裂失效分析

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。

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。

42CrMo轴承断裂失效分析-钢铁百科

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%)

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/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)

测试位置	1	2	3	平均值
外表面	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%)

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