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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有限公司，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。

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

2.2SEM+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，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%）
SpectrumCONaAlSiPClCaCrMnFeTotal113.216.80.8/1.0/0.5///67.8100.025.45.0/0.91.30.5/0.71.30.684.2100.0
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表面硬度，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，外表面硬度偏低。
表2.硬度检查结果（HRC）
测试位置123平均值外表面9.011.215.812.0心部27.327.828.227.8
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