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扫描电镜（SEM/EDS）

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主题：【第七届原创】【微观看世界】风扇轴断裂失效分析

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999youran

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发表于：2014/09/25 18:52:31 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

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风扇轴断裂失效分析

1 概述

轴芯使用于计算机风扇，风扇在做裸机测试（1、风量测试OK，2、IP55防水测试，在冲水测试时风机时断时转，3、噪音测试时风机出现不转，拆开风机发现轴芯断裂）最后阶段出现轴芯断裂；轴芯生产工艺：下料——平面磨——车削两端头及压花槽——热处理（淬火温度1000℃＋回火温度200℃左右）——硬度测试——磨削——研磨——分选包装出货。技术要求：轴芯材质为SUS420J2，洛氏硬度45HRC～50HRC。为分析断裂原因，对断裂轴芯、同批次原材料不同批次热处理生产后未使用的轴芯、原材料及同类型的未使用的轴芯，分别进行理化分析，分析结果如下：

2 宏观观察

观察断裂轴芯，轴芯断裂发生在压花端沟槽处，断口平坦，为细结晶状断口，没有明显塑性变形，属宏观脆性断裂，见图1

3 取样位置

4 化学成分分析结果见表1

5 金相微观观察结果见表2（测试仪器：LeicaDMLM）

6 洛氏硬度检测结果见表3

7 断口微观观察（测试仪器：日本电子JEOL JSM-6460LV）

对1#-1断口样品、2#-4、3#-4及4#-4人工折断样品经超声波酒精溶液清洗后，利用扫描电子显微镜进行微观形貌观察，发现1#-1断口裂纹源（A）、裂纹扩展区（B）及瞬间断裂区（D）微观形貌为沿晶+二次裂纹+韧窝+碳化物颗粒，并且，在断口周圈边缘观察有微裂纹，见图4~7，2#-4样品断口微观形貌为沿晶+二次裂纹+准解理+韧窝+碳化物颗粒，见图8，3#-4样品断口微观形貌为准解理+韧窝+碳化物颗粒，见图9，4#样品断口微观形貌为细小韧窝+碳化物颗粒，见图10。

8 X射线能谱分析

对1#-1断口裂纹源(A)、1#-2、2#-2及3#-2金相样品分别进行微区成分分析，见图11、12，能谱检测结果见表4，从结果看出，晶界上析出条状物质与晶内的合金碳化物成分基本一致。

9分析

9.1 对断裂轴芯、同批原材料不同热处理批次未使用的轴芯及同类型的轴芯进行化学成分分析，结果符合标准JIS G4303-2012中的SUS 420J2技术指标要求。

9.2 对断裂轴芯、同批原材料不同热处理批次未使用的轴芯、同类型的轴芯及原材料进行非金属夹杂物及显微组织观察，2#样品非金属夹杂物B类型为3.0级，其余均低于2.0级，说明2#样品的轴芯原材料钢的洁净度较差；1#及2#样品显微组织为回火马氏体+未溶粒状碳化物+沿晶析出物，3#样品为回火马氏体+未溶粒状碳化物，未发现沿晶现象，4#样品为粒状珠光体，通过组织观察，4#样品属于SUS420J2材料正常退火组织，3#样品属于SUS420J2材料正常淬火+低温回火组织，而1#和2#样品沿晶有条状析出物质，说明样品有过热倾向。

9.3 对断裂轴芯、同批原材料不同热处理批次未使用的轴芯及同类型的轴芯进行洛氏硬度检测，1#样品为52HRC（轴芯技术条件要求45HRC~50HRC）超上限，2#样品为49HRC，接近上限，3#样品为46HRC，认为轴芯硬度偏高，强度增加，脆性增大。

9.4 对断裂轴芯断口进行断口宏观观察，断口平坦，为细结晶状断口，没有明显塑性变形，属宏观脆性断裂，断裂发生在压花端沟槽处，该处是轴芯结构尺寸最小的截面，并且是结构尺寸突变的位置，应力集中区域。

9.5对断裂轴芯断口和同批原材料不同热处理批次未使用的轴芯、同类型的轴芯及原材料人工折断断口，通过断口微观形貌观察，断裂轴芯断口与2#样品人工折断断口微观形貌为沿晶+二次裂纹+韧窝+碳化物颗粒，并且，在断裂轴芯断口周圈边缘观察有平行于主裂纹的次生微裂纹，微裂纹呈现锯齿形态，3#样品人工折断断口形貌为准解理+韧窝+碳化物颗粒，属于正常的回火马氏体组织下的断口形貌，4#样品人工折断断口为细小韧窝+碳化物颗粒，属于正常的粒状珠光体组织下的断口形貌，而断裂轴芯和2#样品有沿晶断口，并且沿晶面上分布有碳化物颗粒，具有材料过热断裂特征。

9.6 对断裂轴芯断口和断裂轴芯、同批原材料不同热处理批次未使用的轴芯及同类型轴芯的金相组织分别进行微区成分分析，沿晶断口表面的碳化物颗粒、晶内分布的碳化物颗粒与沿晶界分布的颗粒及条状物质微区成分含有的元素基本一致，说明由于材料过热，导致部分碳化物在晶界上析出。

9.7 受力分析

传动轴一般通过旋转传递动力，传动轴的受力，一般都要承受扭矩，而由于结构的原因，有时也同时承受较大的弯矩。轴类零件的裂纹一般都起源于轴的阶梯部位、沟槽及配合部位等应力集中处，由于轴芯材料过热，晶界上析出碳化物，降低了晶界的结合力，再加上材料硬度偏高，脆性加大，导致轴芯使用时，在外力的作用下过早在应力集中沟槽处产生微裂纹，随着外力的不断作用，微裂纹不断扩展延伸，当轴芯的有效尺寸承受不了外力作用时，轴芯发生脆断。

10 初步结论

该轴芯断裂是由于轴芯材料过热，晶界上析出碳化物，降低了晶界的结合力，再加上材料硬度偏高，脆性加大，导致轴芯使用时，在外力的作用下过早在应力集中沟槽处产生微裂纹，随着外力的不断作用，微裂纹不断扩展延伸，当轴芯的有效尺寸承受不了外力作用时，轴芯发生脆断。

11建议

严格控制轴芯生产工艺中热处理温度和加热时间，避免工件过热，产生晶界脆化，另外，适当提高回火温度，降低整体材料的硬度，达到提高材料的韧性指标；同时，对每一批原材料进行化学、力学检测外，增加非金属夹杂物测试，对同批热处理产品除了检测硬度外，还进行显微组织检查，一旦出现过热倾向，及时采取补救措施。