聯軸器是常見的機械部件,其用于聯接不同運動機構中的主動軸和從動軸,使軸系共同旋轉,同時傳遞扭矩。聯軸器的結構形式多樣,并具有緩沖、減震、提高軸系動態性能等功能,廣泛應用于高轉速小扭矩、低速重載等動力傳遞系統。聯軸器按方向通常分為主動軸側和從動軸側聯軸結構。一般而言,聯軸器由彈性體、剛性軸、轉接體等組成。其中,彈性體多由橡膠或金屬膜片制成；兩端轉接體選用法蘭、花鍵等機械結構；中間剛性軸則分為實心鋼軸、萬向（節）軸、伸縮花鍵軸等結構。 

某大型液壓傳動機構中聯軸器的整體實心鋼軸發生斷裂現象。該傳動軸的材料為45鋼,傳動軸一端連接彈性體的法蘭盤,另一端為安裝傳動平鍵和法蘭零件的小直徑軸（帶鍵槽）,斷裂位置為距離最大直徑與法蘭盤過渡的圓弧約10 mm處。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該傳動軸斷裂的原因,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂傳動軸的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷裂部位距離法蘭與最大直徑135 mm軸過渡R圓角部位約10 mm,斷口兩側未發現塑性變形；沿心部的中心定位孔至邊緣80%的區域內較粗糙,邊緣部位斷口平坦,法蘭側整個斷口表面有黃褐色的銹蝕；軸一側斷口特征清晰、完整,表面無銹蝕,斷口心部可見橢圓狀和長條狀銀色斑點。 

圖  1  斷裂傳動軸的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在斷裂傳動軸上取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：斷裂傳動軸的化學成分符合GB/T 699—2005 《優質碳素結構鋼》對45鋼的要求。 

1.3   力學性能測試

在斷裂傳動軸上取樣,對試樣進行力學性能測試,結果如表2所示。由表2可知：斷裂傳動軸的力學性能不符合GB/T 699—2005的要求。 

1.4   掃描電鏡(SEM)分析

在傳動軸斷口處取樣,對試樣進行SEM分析,結果如圖2所示。由圖2可知：整個斷口呈河流花樣；斷口心部粗糙區域主要呈沿晶+少量準解理特征；裂紋擴展區存在較多的二次裂紋,沿中心至邊緣區域進行觀察,邊緣區域形貌與心部形貌基本一致；整個斷口以沿晶+準解理特征形貌為主,整個斷口呈氫脆斷口特征[1]。 

圖  2  傳動軸斷口SEM形貌

1.5   金相檢驗

在斷口心部及邊緣處取樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖3所示。由圖3可知：試樣心部和邊緣區域均存在較多的非金屬夾雜物,夾雜物為硫化物,夾雜物附近可觀察到顯微裂紋。 

圖  3  斷口心部及邊緣處微觀形貌

斷口心部及邊緣處的顯微組織形貌如圖4所示。由圖4可知：試樣心部組織為貝氏體,邊緣區域組織為貝氏體+回火索氏體。心部與邊緣晶粒度一致,按照GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度的測定》評為8.0級；未發現心部存在過熱、過燒等異常組織,在心部區域存在較多的小裂紋（見圖5）。 

圖  4  斷口心部及邊緣處的顯微組織形貌

圖  5  斷口心部及邊緣處晶粒的微觀形貌

1.6   熱酸蝕試驗

在直徑為135 mm的軸一側斷口附近取橫截面試樣,對試樣進行熱酸蝕試驗,結果顯示試樣心部區域存在較多的鋸齒狀小裂紋,小裂紋宏觀呈同心圓分布形貌（見圖6）。 

圖  6  斷口處的低倍組織形貌

2.   綜合分析

該斷裂聯軸器傳動軸的化學成分符合標準要求,力學性能不符合標準要求,尤其是斷后伸長率遠低于標準要求。斷口粗糙區域存在橢圓狀和長條狀斑點,斷口呈沿晶+準解理特征,擴展區分布有較多的二次裂紋,與熱酸蝕試驗后觀察到的呈同心圓分布的鋸齒狀小裂紋相吻合,且未發現過熱、過燒組織。斷裂傳動軸中氫元素的質量分數為0.002 1%。綜合上述分析,聯軸器傳動軸心部鋸齒狀小裂紋為白點缺陷,聯軸器傳動軸的斷裂原因為白點缺陷導致的延遲開裂。由于力學性能試樣取樣位置為半徑1/2處,處于45鋼材料的未完全淬透區域,且材料中存在白點缺陷,導致材料的力學性能不符合標準要求。 

白點缺陷的產生原因為：在冶煉過程中,鋼液及輔料中的水分在高溫作用下分解出氫元素,當鋼液的脫氫處理不充分時,澆鑄成型后溶解在鋼中的氫以原子形式溶解于鋼材中,或以分子形式在鋼材缺陷部位聚集,緩慢富集到一定程度,會造成局部應力集中,當應力超過鋼的抗拉強度時,在鋼中形成細微裂紋,這些裂紋常以微小裂紋群的形式出現,在低倍斷口上呈現圓形或橢圓形銀白色斑點。通常情況下,服役前的氫聚集多稱為白點缺陷,氫致開裂（包含白點）具有延遲性和隱蔽性[2-3],白點缺陷可能導致鋼件在后續熱處理或使用過程中突然斷裂,造成安全事故。因此,不允許鍛鋼件中存在白點缺陷,且現有的無損檢測方法不能直接給出表征缺陷性質的判定信息,可能導致漏檢白點缺陷。通常鋼的氫致開裂需要滿足3個條件[4],即一定濃度的氫、一定的拉應力和敏感性顯微組織。其中,馬氏體伴隨有較大的相變應力,對氫脆最為敏感,其次為貝氏體、屈氏體,而索氏體或者鐵素體＋珠光體對氫脆敏感性最小。氫脆一經產生,就不能消除。因此,必須在尚未產生微裂紋的情況下,通過長時間脫氫處理來降低鋼中的氫濃度。 

聯軸器傳動軸中存在較多的非金屬夾雜物,非金屬夾雜物的類型為硫化物,硫化物的附近可觀察到顯微裂紋,較多的硫化物使材料形成氫陷阱,氫陷阱是指材料中氣孔、偏析、各種晶體缺陷(如空位、位錯、晶界和相界等)、第二相(包括夾雜)、各種溶質元素等周圍存在的應變場,該應變場與氫的應變場相互作用,把氫吸引在缺陷或第二相周圍,這種捕獲氫的缺陷或第二相就稱為氫陷阱[5-6]。當氫含量較高時,氫陷阱處聚集了氫,導致材料產生氫致裂紋。 

3.   結論

聯軸器傳動軸斷裂形式為氫致斷裂,斷裂原因為原材料在生產過程中脫氫不充分,且材料內部存在較多的非金屬夾雜物,氫原子在非金屬夾雜物附近聚集形成氫陷阱,在組織和內應力的共同作用下,形成以微裂紋群形式存在的白點缺陷,裂紋在白點缺陷部位萌生并擴展,最終導致傳動軸斷裂。 

文章來源——材料與測試網