主动轴断裂失效分析报告___请指点下写的不当处

剡溪夜风

主动轴断裂原因分析

柯锦宏

1、情况简介
一台3吨叉车变速箱试验机在运行29个月后，变速箱的主动轴发生断裂失效。该轴材料为20CrMnTi钢，其生产工序是：原材料下料    正火（加热温度为940℃）    粗精车     铣齿    渗碳（910℃）  淬油（840℃）   低温回火（200℃）   喷沙校直

去应力回火    粗精磨。其技术要求：渗碳层深0.9mm~1.20 mm；有效淬硬层深0.6mm~0.9 mm；表面硬度为58~62HRC；心部硬度为35~43HRC。运行状况：该主动轴是联接叉车发动机和变速箱的动力传动联接轴，由于受安装精度的影响叉车主动轴与发动机联接轴孔存在一定的位置度不同心而产生轻微的交变应力和交变应变。




图1 主动轴实样



图2
断裂部位

2、理化检验
2.1、化学成分分析
对断裂的主动轴取样进行化学分析，结果见表1，由测试结果可知按GB/T3007-1999《合金结构钢》标准要求，该主动轴合格。

表1、主动轴材料的化学成分

标准及试样	C	Si	Mn	Gr	Ti
GB/T3007-1999	0.17~0.23	0.17~0.37	0.80~1.10	1.11~1.30	0.04~0.10
主动轴	0.21	0.29	0.97	1.19	0.07

2.2、硬度测定


主动轴花键处表面硬度为58HRC、58HRC、57.3HRC、56.8HRC和57.2HRC；心部硬度为38.2HRC、38HRC、37.9HRC、38.1HRC、38.3HRC，符合技术要求。
2.3宏观分析
宏观观察主动轴如图3、4、5、6，整个断口高低不平，能明显判断出瞬断区（图4、

剡溪夜风

5主动轴中心灰色不规则椭圆处）和疲劳扩展区，该断口属轻微应力集中引起的低周旋转弯曲疲劳断口，总称为低周疲劳断裂。



          图3
图4

     


图5


图6
2.4金相分析
主动轴的表面组织摄影于轴档连接处R2附近处，如图8、9、10，其金相组织为碳化物6~7级（碳化物层深0.12mm）；马氏体大小为3~5级；残余奥氏体含量为3~4级。心部组织如图11、心部组织为2级。渗碳层深1.12mm，有效淬硬层深0.85mm。图9、表面碳化物处有一楔形裂纹。主动轴有效硬化层测定结果见表2、
                  表2、 主动轴有效硬化层测定结果

距表面距离/mm	0.1	0.25	0.45	0.65	0.68	0.87	1.0	1.6
硬度/HV1	620	613	594	570	550	545	509	430

图7
主动轴断裂部位示意图

剡溪夜风

      
          图8
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图9

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         图10
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图11
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3、分析讨论
    根据图8、9、10，说明该主动轴热处理后显微组织中除碳化物超出《QC/T262-1999》标准，马氏体及残余奥氏体等级；渗碳层深度1.12mm；有效淬硬层深0.85mm；表面硬度58HRC；心部硬度38HRC均符合技术要求。从图3、6、中可观察到断裂部位发生在轴档联接R2处（如图2、7）中，车刀痕迹明显粗糙度大，R2未车出几乎是直角，在热处理渗碳淬火过程及机械传动受力中此处易产生应力集中区引成淬火开裂源及疲劳源区。而且在主动轴热处理渗碳淬火后其组织碳化物过多聚集在表面至表面下0.12mm范围内，加上主动轴在转动时产生的交变应力和交变应变作用下首先在该轴档连接处（车刀痕迹、表面碳化物尖角处）产生疲劳开裂源在一定时间的积累下发产疲劳扩展最后直至断裂。
4、结论及改进措施


主动轴断裂的主要原因：1、车加工时轴档连接R2未车，表面粗糙，车刀痕迹明显；2、渗碳淬火后其组织碳化物超标。在主动轴在转动时产生的交变应力和交变应变的作用下在轴档连接处引起低周疲劳断裂。
   改进措施：
1、在车加工时控制轴档连接R2尺寸，降低表面粗糙度至Ra0.16um，严格控制渗碳淬火后碳化物级<3级。
2、更换材料，采用40Cr、42CrMo调质离子氮化工艺。
3、控制叉车发动机连接轴孔与变速箱主动轴安装时的位置同心度。

剡溪夜风

狂龙

这样看的太费劲，我觉的材料没问题呀，只是对你的结论中提出的换材料感到很突然，那不是又要重来，关于变形的问题是否你采用的是渗碳后直接淬火，建议你渗碳后感应加热淬火试试。

[ 本帖最后由 狂龙 于 2008-7-5 17:26 编辑 ]

剡溪夜风

wind1.chen

楼主分析的不错，不过对于结论有一些建议：
1.分析之中没有证据说明断裂是材料和工艺选用不对；
2.不用更改材料和工艺，改善一下原工艺即可，因为按照正常程序，更改材料和工艺是需要验证的，风险和成本更大。

剡溪夜风

兄弟,主动轴渗碳淬火后校直不容易,用渗氮变形小,渗氮层深在0.40mm左右可保证传动扭力

好好学学

你好；
       我不是懂得很多，随便说说，请见笑。
       断裂的原因又下面几种；
       1 心不强度不够。
       2 淬火时有表面有裂。
       3 在加工过程中有车刀的画痕。
       见笑！！！！！

中心试验室

楼主，以附件形式完整上传这份报告吧 ！太分散 看起太费力

jcjszx

同意7楼的观点，我厂以前也做过叉车变速箱，用的是20CRMOH材料，没有什么问题。
从你的金相报告上可是看出：碳化物超级和应力集中是造成断列的主要原因，而不是材料有问题。

[ 本帖最后由 jcjszx 于 2008-7-6 11:49 编辑 ]

ytfiskmmm

看了楼上的发言,我受益非浅,谢谢.

LINFH

从你的报告中看不出断裂是因为材料的原因,渗碳淬火也有优点,假如更换材料需要重新做强化试验,时间太长,也有可能出现不可预知的危险,材料不能轻易更换.
主要原因与热处理工艺有很大的关系,碳化物超标,应力大,淬火出现显微裂纹,疲劳裂纹的源头..
注意冷加工的过程,防止扎刀,防止加工的R角太小.