泰興減速機：輸出軸是動力輸出裝置的關(guān)鍵零件，某公司生產(chǎn)的減速機輸出軸用于技術(shù)改造工程項目的攪拌設(shè)備中。牌號：16MnCr5，直徑為120mm。使用不到一年，15臺攪拌設(shè)備的減速機中輸出軸，已陸續(xù)出現(xiàn)5臺減速機的低速軸斷裂現(xiàn)象。對該批斷裂輸出軸進行斷裂原因分析，此斷裂輸出軸為其中5根斷軸之一。

任取輸出軸斷口附近試樣進行化學(xué)成分檢驗，結(jié)果如表1：

取非斷口處輸出軸進行力學(xué)性能試驗，結(jié)果如表2：

截取軸中非斷口的橫截面進行宏觀低倍組織檢驗，結(jié)果如表3：

1、宏觀斷口觀察 

清潔斷口表面后發(fā)現(xiàn)斷面銹蝕，但從現(xiàn)場的另一斷口判定，銹蝕應(yīng)是斷后的污染所致。從斷口的裂形態(tài)上看，該斷軸斷口為疲勞斷口。疲勞源位于該輸出軸表面退刀槽的機加工尖角縫處（圖1~圖2）。在疲勞源區(qū)與斷裂區(qū)的交界處（即斷裂源左、右兩側(cè)）邊緣，退刀槽的臺階均已磨損、擠壓變形（見圖3）。

2、掃描電鏡微觀斷口觀察 

截取圖4中斷裂源關(guān)鍵部位2#和終斷區(qū)6#試樣，在掃描電鏡下進行斷口微觀觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：疲勞源處有機加工刀痕，斷裂由表面向內(nèi)擴展，斷裂為準(zhǔn)解理和沿晶脆性斷裂（見圖4~圖6）。

1、非斷口處的非金屬夾雜物觀察 

在輸出軸縱截面上，按GB/T10561標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的取樣部位，截取大于200mm2面積試樣，選用A法進行非金屬夾雜物觀察，結(jié)果為：A2，A1e，B1.5，B1e，D1，D0.5e；B類夾雜多為TiN夾雜。

2、斷口處的非金屬夾雜物觀察 

斷口及其裂紋處均未見有夾雜物聚集。

分別對輸出軸的橫截面和縱截面進行金相組織觀察，詳見如下：

1、橫截面顯微組織 

對圖4中2#試樣進行斷口與非斷口的橫截面組織檢驗，均為：鐵素體+珠光體，魏氏組織1.5級，并有混晶。軸表面附近的混晶較其他部位嚴(yán)重，即12%晶粒度2級、88%晶粒度4級；其余晶粒度4級（見圖7）。

2、縱截面顯微組織

• 斷口及其附近顯微組織 

對圖4中1#、2#、3#、7#進行縱截面金相組織觀察，組織均為鐵素體+珠光體、帶狀組織1.5級、魏氏組織1.5級（見圖8~圖9）；其中，斷口處軸表面附近的組織晶粒較粗大、網(wǎng)狀鐵素體較其它部位明顯（見圖10~圖11）。

• 內(nèi)部裂紋及其附近顯微組織 

內(nèi)裂紋多為沿晶和穿晶裂紋，裂紋兩邊局部的組織晶粒度稍有差異（見圖12）。

1、化學(xué)成分檢驗結(jié)果分析

該輸出軸的化學(xué)成分檢驗結(jié)果顯示，除元素Mn含量略低于EN10084-1998中的規(guī)定值外，其他元素均符合EN10084-2008中規(guī)定的要求。

2、力學(xué)性能檢驗結(jié)果分析 

作為減速機重要的傳動部件，該材料力學(xué)性能檢驗值較低，沒發(fā)揮出16MnCr5鋼力學(xué)性能的優(yōu)勢。

3、宏觀低倍組織結(jié)果分析 

從該輸出軸的橫截面試片上的檢驗結(jié)果看，未發(fā)現(xiàn)有異常的低倍組織存在。

4、斷口檢驗結(jié)果分析

• 宏觀斷口結(jié)果分析 

由輸出軸的宏觀斷口檢驗結(jié)果顯示：斷口為疲勞斷口，疲勞源位于該輸出軸表面臺階機加工缺陷處，并由此向內(nèi)擴展；說明該輸出軸在制造過程中，局部表面存在機加工缺陷。輸出軸在使用時，在該缺陷處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，由此萌生裂紋并擴展，最終斷裂；同時，輸出軸由于受扭力及交變應(yīng)力等作用的影響，使裂口兩端變形并且運轉(zhuǎn)受阻，故而受到擠壓和磨損。

• 斷口微觀結(jié)果分析 

斷口微觀結(jié)果顯示，疲勞源由機加工刀痕而起，并由此擴展；終斷區(qū)組織為準(zhǔn)解理沿晶的脆性斷裂組織。

5、非金屬夾雜物結(jié)果分析

該輸出軸非斷口處的非金屬夾雜物未見異常；斷口及其裂紋處均無非金屬夾雜物聚集。

6、金相顯微組織結(jié)果分析

• 橫截面 

該輸出軸橫截面上的組織為：鐵素體+珠光體、并有魏氏組織，晶粒較粗大；說明該輸出軸鍛后的熱處理工藝控制不當(dāng)，使輸出軸內(nèi)部出現(xiàn)了過熱組織。該組織對于輸出軸來說，不但不能發(fā)揮出16MnCr5鋼的良好機械性能，反而增大了輸出軸的脆性，使其機械性能大大降低。

• 縱截面 

輸出軸縱截面上組織呈帶狀組織、局部（即近表面）組織中的鐵素體呈網(wǎng)狀、針狀分布，仍與鍛后的熱處理工藝相關(guān)。帶狀組織的存在使輸出軸的力學(xué)性能形成各向異性，降低了輸出軸的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率等。 

綜上所述，該輸出軸的原材料中錳元素含量低于EN10084-2008中規(guī)定值要求；在輸出軸的機加工過程中，局部表面存在機加工尖角，導(dǎo)致此部位產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，再加熱處理工藝不當(dāng)，使其內(nèi)部出現(xiàn)了過熱組織和帶狀組織，這些不良的組織，不但不能發(fā)揮出16MnCr5鋼良好的力學(xué)性能優(yōu)勢和功效，反而大大降低了該輸出軸的綜合力學(xué)性能，并增加了輸出軸組織的脆性。因此，輸出軸使用時，首先在局部表面的機加工尖角缺陷處萌生疲勞裂紋并向內(nèi)擴展，而不良的熱處理組織，加速了該輸出軸的裂紋擴展，進而，最終導(dǎo)致輸出軸斷裂失效。 

該輸出軸的斷裂主要是由其表面局部存在的機加工刀痕產(chǎn)生的應(yīng)力集中和不當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚩鸬摹?/span>

• 改進輸出軸機加工工藝，避免因加工出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。 

• 合理選擇輸出軸熱處理工藝，使輸出軸的綜合機械性能滿足工作要求，更好地傳遞扭矩和承受載荷。

• 可從設(shè)計及材料選取等方面考慮改進。