泰興減速機：輸出軸是動力輸出裝置的關鍵零件，某公司生產的減速機輸出軸用于技術改造工程項目的攪拌設備中。牌號：16MnCr5，直徑為120mm。使用不到一年，15臺攪拌設備的減速機中輸出軸，已陸續出現5臺減速機的低速軸斷裂現象。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成分檢驗，結果如表1：

取非斷口處輸出軸進行力學性能試驗，結果如表2：

截取軸中非斷口的橫截面進行宏觀低倍組織檢驗，結果如表3：

1、宏觀斷口觀察 

清潔斷口表面后發現斷面銹蝕，但從現場的另一斷口判定，銹蝕應是斷后的污染所致。從斷口的裂形態上看，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）。在疲勞源區與斷裂區的交界處（即斷裂源左、右兩側）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中斷裂源關鍵部位2#和終斷區6#試樣，在掃描電鏡下進行斷口微觀觀察，結果發現：疲勞源處有機加工刀痕，斷裂由表面向內擴展，斷裂為準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標準規定的取樣部位，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、網狀鐵素體較其它部位明顯（見圖10~圖11）。

• 內部裂紋及其附近顯微組織 

內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、化學成分檢驗結果分析

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

2、力學性能檢驗結果分析 

作為減速機重要的傳動部件，該材料力學性能檢驗值較低，沒發揮出16MnCr5鋼力學性能的優勢。

3、宏觀低倍組織結果分析 

從該輸出軸的橫截面試片上的檢驗結果看，未發現有異常的低倍組織存在。

4、斷口檢驗結果分析

• 宏觀斷口結果分析 

由輸出軸的宏觀斷口檢驗結果顯示：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，在該缺陷處產生了應力集中，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力等作用的影響，使裂口兩端變形并且運轉受阻，故而受到擠壓和磨損。

• 斷口微觀結果分析 

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

5、非金屬夾雜物結果分析

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，使輸出軸內部出現了過熱組織。該組織對于輸出軸來說，不但不能發揮出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狀、針狀分布，仍與鍛后的熱處理工藝相關。帶狀組織的存在使輸出軸的力學性能形成各向異性，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，導致此部位產生了較大的應力集中，再加熱處理工藝不當，使其內部出現了過熱組織和帶狀組織，這些不良的組織，不但不能發揮出16MnCr5鋼良好的力學性能優勢和功效，反而大大降低了該輸出軸的綜合力學性能，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生的應力集中和不當的熱處理工藝而引起的。

• 改進輸出軸機加工工藝，避免因加工出現的應力集中現象。 

• 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。

• 可從設計及材料選取等方面考慮改進。