通常汽車行駛10萬公里保修，所以該軸使用壽命應(yīng)在客車行駛10萬公里以上，否則屬于異常失效。某企業(yè)生產(chǎn)大型客車變速器里面的中間軸在客車行程1～5萬公里時就出現(xiàn)斷裂而報廢，報廢率近10%。
據(jù)了解，該中間軸選用20CrMnTi鋼制造，工藝流程:機(jī)械加工(包括銑鍵槽)—滲碳淬火—回火—拋丸—M20×2螺紋退火—研磨中心孔—校正—精加工并裝配到減速箱里。中間軸的技術(shù)要求：滲碳層深0.9～1.3mm，碳化物、馬氏體、殘留奧氏體級別為1～5級，表面硬度58～63HRC，心部硬度30～45HRC，心部鐵素體級別≤4級。受企業(yè)委托，對異常斷裂的中間軸進(jìn)行了分析，找出了引起斷裂的原因。
1中間軸斷口分析
絕大多數(shù)中間軸的斷裂都發(fā)生在直徑<54mm的臺階處，箭頭所指。該中間軸(齒輪軸)除承受交變的軸向拉伸、壓縮應(yīng)力外，主要承受交變的扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力。由疲勞斷口的光學(xué)照片可見，疲勞斷口有3個明顯的區(qū)域:疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終的過載瞬斷區(qū)。過載區(qū)是因為裂紋擴(kuò)展一定時間后，該軸的有效面積減少，不能承受下一個也是最終一個循環(huán)載荷的作用而形成斷口，最終斷裂幾乎總是突然發(fā)生并且沒有塑性變形。最終過載區(qū)水平箭頭所指部位較暗的區(qū)域，該區(qū)域面積較少，說明應(yīng)力不大，即載荷不太大。相對裂紋擴(kuò)展區(qū)，具有貝殼狀標(biāo)記所覆蓋的斷口面積相對比較大。疲勞裂紋的起源———貝殼狀標(biāo)記曲線的曲率中心，恰好在鍵槽處。帶鍵槽的圓柱體常在鍵槽的根部萌生扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋，在交變載荷作用下沿其橫斷面擴(kuò)展，產(chǎn)生橫向疲勞斷裂，同時沿圓周方向和軸向擴(kuò)展，形成具有剝離傾向趨勢的斷裂曲面。由于鍵槽的存在和其表面粗糙(粗糙度為100μm)，可以認(rèn)為該銑削加工鍵槽面的刀痕本身就是顯微裂紋，或引起應(yīng)力集中，容易萌生微裂紋。
2化學(xué)成分分析
在距離中間軸外圓柱表面4mm以上鉆取鐵屑作化學(xué)成分定量分析，主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.21C，0.33Si，，0.039P，0.0011S，1.18Cr，0.053Ti，除含P量稍偏高外，原材料成分基本合格(參照國標(biāo)GB/T3077-1988《合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》)。
3性能測試
(1)硬度測定在HR2150A型洛氏硬度計上測得滲碳層表面硬度為60HRC，符合技術(shù)要求；基體(心部)硬度為28～27HRC，心部硬度偏低。
(2)強度和沖擊韌度測定在離斷裂面10mm以外的圓柱體內(nèi)沿縱向并避開滲碳層的影響，采用電火花線切割方法取樣，同時留有足夠的車、磨削加工余量，并按規(guī)范加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸和沖擊試驗。表中結(jié)果顯示材料具有較高強度的同時還具有較高的塑性和韌性，與20CrMnTi鋼性能相一致，但存在局部韌性不足的情況。
4金相分析
在斷裂面附近及其他部位采用電火花線切割方法取樣并按制樣規(guī)范制備金相試樣，采用4%硝酸酒精溶液侵蝕，侵蝕前先觀察非金屬夾雜物級別。掃描電鏡分析的斷口用金屬清洗劑水溶液浸泡加超聲波清洗。采用金相法測得滲碳層深為1.1mm，參照技術(shù)要求，屬合格。
4.1滲碳層和心部(基體)的金相組織
由于20CrMnTi鋼中Ti元素起到細(xì)化晶粒作用，一般滲碳后直接降溫淬火仍然能夠得到細(xì)小的組織，但所檢試樣可見原始奧氏體晶粒偏大(圖略)。根據(jù)GB/T10561-1989《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》球狀氧化物類夾雜物D評定為4級；塑性夾雜物(硫化物A或硅酸鹽類C)均評定為2級。按照GB/T3077-1988《合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》，脆性夾雜物級別超差(規(guī)定≤3級為合格)[3]。
4.2斷口電鏡分析和微區(qū)電子探針半定量分析
鍵槽根部的尖角、加工刀痕引起應(yīng)力集中，萌生微裂紋。加工鍵槽粗糙度100μm，加工刀痕本身已經(jīng)是微裂紋，快速進(jìn)入疲勞裂紋擴(kuò)展期，導(dǎo)致早期斷裂失效。裂紋起源于鍵槽的根部和加工刀痕(傷痕)處。疲勞斷裂沒有塑性變形，最終斷裂區(qū)呈冰糖狀沿晶斷裂的脆性斷裂特征。斷口有較多的夾雜物。采用電子探針作微區(qū)半定量分析夾雜物和基體的結(jié)果見表3。該夾雜物屬氧化物類的脆性夾雜物，這一結(jié)果與常規(guī)金相分析的結(jié)果一致。
5結(jié)論
(1)變速器中間軸受低應(yīng)力水平的交變扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷而發(fā)生早期疲勞斷裂，裂紋起源于鍵槽的根部加工刀痕(傷痕)處。鍵槽根部的尖角、加工刀痕引起應(yīng)力集中，萌生微裂紋，引發(fā)早期斷裂。
(2)中間軸局部韌性不足使疲勞裂紋快速擴(kuò)展是齒輪軸使用壽命不高的原因，而局部韌性不足則是夾雜物超標(biāo)和原始奧氏體晶粒粗大所引起。
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