优质碳素结构钢电机轴断裂失效分析

李成龙1,毛宇龙通讯作者,许文友,徐万飞,徐前玲,高秦芹

摘  要：采用宏观观察、扫描电镜分析、成分分析、金相分析以及力学性能测试等方法分析了优质碳素结构钢（35钢）电机轴断裂的原因。结果表明：优质碳素结构钢显微观察下为沿晶脆性断裂；基材的金相组织中主要为珠光体和网状铁素体，并伴随有部分晶粒粗大的针状铁素体；在拉力测试中，其下屈服强度、抗拉强度等性能参数均不符合相关要求；该优质碳素结构钢断裂的主要原因是自身材料性能不达标，在外力作用下发生脆断。

关键词：优质碳素结构钢；电机轴；脆性断裂；铁素体；力学性能

中图分类号：TB31文献标志码：文章编号：

1 理化检验

1.1 宏观观察

某电机轴在使用过程中发生断裂，该轴由优质碳素结构钢（35钢）制成，其外观和断口宏观形貌如图1所示。由图可得，该电机轴断口处无明显塑性变形且主断口平齐，断口边缘没有剪切唇口，但存在相对明显的磨损痕迹。从图1（b）可以看出，沿轴的断裂圆周表面分布着许多大小不一的裂纹源，同时断口处还有较多清析的呈扇形向外扩展的放射棱[1]。

图1 电机轴外观和断口形貌（a）电机轴外观（b）断口形貌（c）断口①区域形貌（d）断口②区域形貌

1.2扫描电镜分析

将图1中断口处的①区域和②区域的样品切割并进行相关处理，置于扫描电子显微镜下观察，观察结果如图2所示。两处区域的显微形貌各不相同，①区域样品的晶粒呈现大直径的块状，晶间伴随有少量的圆球状颗粒物；②区域样品呈现层叠的层片状，晶间有大量直径不一的圆球状颗粒物。综合图2可得，电机轴的断口呈现出明显的沿晶脆性断裂的特征，材料的晶间结合力较弱、脆性大、韧性较差[2]。

图2 断口处显微形貌图（a）①区域样品显微形貌（b）①区域样品局部形貌（c）②区域样品显微形貌（d）②区域样品局部形貌

1.3 成分分析

为了验证金属成分对轴断裂的影响，使用直读光谱仪对轴进行成分分析，分析结果如表1所示。根据相关标准，表1中断裂电机轴的组成成分符合标准的优质碳素结构钢（35钢）的成分要求[3]。说明，该电机轴的断裂可以排除杂质成分对轴强度的影响[4]。

表1 断裂电机轴的化学成分分析结果

样品名称	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Fe
断裂电机轴	0.36	0.26	0.63	0.012	＜0.008	＜0.10	＜0.009	＜0.02	余量为Fe
35钢标准	0.32-0.39	0.17-0.37	0.5-0.8	≤0.035	≤0.035	≤0.25	≤0.30	≤0.25	余量为Fe
是否满足	满足	满足	满足	满足	满足	满足	满足	满足	满足

1.4 金相分析

对断裂电机轴多处进行多部位取样，经过镶嵌、打磨、抛光以及腐蚀等金相处理后，置于金相显微镜下进行观察，观察结果如图3所示。由图3可知，电机轴的基材和断口处的金相组织基本一致，主要为珠光体和粗大的网状铁素体并伴随部分晶粒粗大的针状铁素体[5]。

图 3 断口处不同区域金相照片（a）轴基体处（b）轴端面处（c）断口①区域（d）断口②区域

1.5 力学性能测试

轴的力学性能是衡量轴质量的重要指标之一，先对断裂轴进行相关处理，再测试其硬度、抗拉强度以及下屈服强度等力学性能，测试结果如表2和表3所示。由表2可知，样品轴断口部位及正常部位硬度几乎无差异，且布氏硬度平均值为185HBW。满足相关标准中对于35钢硬度HBW≤197的要求。由表3可得，根据相关标准中对35钢规定的力学性能技术要求，样品轴钢材的抗拉强度、下屈服强度、断后伸长率以及断面收缩率等均不符合要求[6]。

表 2  样品轴的硬度测试结果

样品名称	测试结果/HBW				35钢硬度标准
	1	2	3	平均值
断口部位	180	184	191	185	HBW≤197
正常部位	182	187	185	185

表 3 样品轴的力学性能测试结果

力学性能	测试结果	标准技术要求 （不小于）	是否符合标准
抗张强度 Rm/ MPa	419	530	不符合
下屈服强度 ReL/ MPa	208	315	不符合
断后伸长率 A/%	9.98	20	不符合
断面收缩率 Z/%	56.32	45	符合

2 综合分析

电机轴样品经过成分测试，元素各项指标基本满足相关标准中规定的35钢要求。同时，对样品硬度进行测试，结果满足标准，未见明显异常。电机轴的物理性能基本符合相关要求，排除因材料内部含有杂质元素而造成的断裂。

从宏观形貌上分析，断口处无明显塑性变形区，主断口平整度较高，断口边缘可见较多明显的裂纹源。断口边缘未见明显的剪切唇口，但是有明显的磨损痕迹。从微观形貌上看，断口表面存在块状和层片状的基材组织，组织上伴随有明显的圆球状产物附着。结合其断口的组织形态，断口的类型为典型的沿晶脆性断裂断口。在金相分析中，样品基体的金相组织明显，主要为珠光体和铁素体，其中铁素体呈现两种状态：一种是粗大的网状铁素体，另一种是针状铁素体。然而，35钢的金相组织应以块状铁素体和片状珠光体为宜，故部分基材中的铁素体发生了组织相变

[7]。

3 结语

综上可得，在对轴进行热处理时，处理时间或者温度下降过快造成电机轴内部组织发生相变，进而导致材料强度、韧性不达标，最终使得电机轴在外力作用下发生脆断。

参考文献：

[1] 王晓兰, 陆旭霞, 尹海涛, 等. 40Cr钢油缸断裂原因[J], 2023,59(02):58-62.

[2] 刘建平. 35CrMo高强螺栓脆性断裂原因分析[J], 2022(06):49-53.

[3] GB/T699-2015, 优质碳素结构钢[S].秦皇岛:中国标准出版社.

[4] 何智慧, 郭洪飞, 王克山, 等. 5CrNiMo芯棒接长杆断裂失效分析[J], 热加工工艺, 2019(14):175.

[5] 姚浩, 刘承军, 张立峰. 奥氏体化温度对Ti–Zr处理钢中针状铁素体转变的影响[J], 2023,45(06):907-914.

[6]GB/T 228.1—2021, 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法[S]. 北京：中国标准出版社.

[7]肖福仁. 针状铁素体管线钢的组织控制与细化工艺研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学，2003:145.