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軸類零件失效分析技術解析

2025-09-19 15:08:00

技術文章

作者： SGS_IND

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作為動力傳遞與運動系統的“骨骼”，軸類零件（如曲軸、半軸、傳動軸、轉向節臂等）承擔著扭矩傳遞、載荷支撐及精密運動導向的核心功能。其失效不僅會導致機械、設備或車輛動力中斷、操控失穩，更可能引發嚴重安全事故；同時，頻繁的非預期失效也會大幅增加零部件制造企業的售后成本及品牌聲譽損失。

本文將從技術視角系統解析軸類零件的常見失效模式、分析方法及典型案例，為您揭示“如何通過科學失效分析實現質量改進與風險防控“。

一、軸類零件的常見失效模式

軸類零件的失效本質是材料性能、工況載荷與環境條件共同作用下的失效行為，常見模式可分為以下幾類：

1. 疲勞斷裂（占比70%以上）

疲勞斷裂是軸類零件最主要的失效形式，尤其在承受循環載荷的曲軸、傳動軸、半軸等部件中高發。其特點是：

1）裂紋源：多位于應力集中區域。

2）斷口特征：宏觀可見“貝紋線”與“瞬斷區”；微觀表現為疲勞輝紋及韌窩形貌。

3）觸發因素：循環應力幅值超標、表面加工缺陷（刀痕、磕碰傷）等。

2. 磨損失效

磨損主要發生在滑動或滾動接觸的軸類部件（如輪轂軸承軸頸、變速器輸出軸），按機理可分為：

1）磨粒磨損：外界硬質顆粒（泥沙、金屬碎屑）嵌入摩擦副表面，劃傷接觸區。

2）粘著磨損：接觸表面因高溫高壓發生金屬粘合，隨相對運動撕裂形成溝槽。

3）微動磨損：軸與配合件（如軸承、齒輪）在振動載荷下發生微幅相對滑動，導致表面氧化-磨損循環，最終出現紅銹色磨屑（Fe?O?為主）。

其它失效模式還有變形失效、腐蝕失效等。

二、軸類零件失效分析方法

針對軸類零件的失效，采用“信息采集-宏觀初判-微觀驗證-機理溯源-改進建議”的全流程分析框架，結合多維度檢測技術，精準定位失效根因。以下為核心步驟：

1. 信息采集與失效場景還原

1）基礎信息：零件材料（牌號、熱處理狀態）、尺寸公差、表面處理等。

2）工況數據：使用環境（溫度、濕度、腐蝕介質）、載荷譜（最大/最小扭矩、循環頻率）、匹配部件（如軸承型號、齒輪齒數等）。

3）歷史記錄：生產批次、裝配工藝、維修記錄（是否更換過配件）。

2. 宏觀與無損檢測：鎖定失效位置與類型

1）外觀檢查：觀察裂紋位置、磨損形態、腐蝕產物顏色等。

2）無損檢測：磁粉探傷、滲透檢測、工業CT等。

3）尺寸測量：三坐標測量（圓度、圓柱度、鍵槽對稱度）；

3. 失效模式判斷

根據送檢軸類樣品狀態宏觀分析初步判斷失效大類，如斷裂/開裂、磨損、變形、還是腐蝕等，然后進一步微觀分析，對失效模式進行確認。

4. 材料與性能分析：驗證制造符合性

1）化學成分分析：直讀光譜儀；

2）力學性能：室溫/高溫拉伸、沖擊韌性、硬度、扭轉強度等；

3）微觀組織：金相分析（觀察晶粒度、表面脫碳層等）。

失效分析工程師將以上各部分數據歸納總結，得出導致失效的原因，然后與專家顧問團隊討論確保分析結論準確，并提出針對性改進建議。

三、典型案例

某曲軸單拐臺架疲勞試驗早期開裂分析

某曲軸（材料C38N2）單拐疲勞試驗5.96萬次在連桿頸圓角與端面相交處開裂。圖1a為試驗單拐外觀，箭頭所示為裂紋位置，裂紋打開后斷口微觀觀形貌如圖1b，放射紋均收斂指向表面，為圓角附近表面線起源疲勞開裂。

取斷口源區截面金相樣品，制樣腐蝕后觀察如圖1c，斷口源區附近軸肩表面存在磨削燒傷層，圖1d在金相顯微鏡下測試磨削燒傷層深度約0.14mm。曲軸表面磨削燒傷層測試硬度為448-473HV0.2，表面正常區域測試硬度為567-578 HV0.2，磨削燒傷區域硬度明顯降低。分析認為，曲軸單拐早期疲勞開裂為表面磨削燒傷，疲勞強度降低導致。建議改進曲軸磨削工藝，對磨削過程冷卻潤滑進行合理控制。

注：曲軸開裂分析過程照片

四、SGS的價值：以專業技術賦能客戶產品質量升級

對于零部件供應商而言，軸類零件的失效不僅是“問題”，更是“改進機會”。我們具有經驗豐富的專家團隊，通過：

1. 精準的失效根因定位（避免“頭痛醫頭”式改進）.

2. 全流程技術主導（檢測報告符合ISO/IEC 17025認可，可用于質量爭議仲裁）.

3. 定制化改進方案（結合仿真與試驗數據，提供材料、工藝、設計多維度優化建議），助力客戶降低售后成本、縮短研發周期、提升產品競爭力。

五、結語

軸類零件的安全與可靠，是“設計-制造-檢測”全鏈條協同的結果。作為有責任擔當的第三方檢測機構，我們將持續深耕失效分析及檢測技術，以專業設備與資深技術團隊，為您的產品質量保駕護航。

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