車輛轉向機構的轉向臂下端軸, 規格為φ80×154，材質為40Cr，整體調質加表面淬火，表面發黑處理，該軸為車輛轉向機構一部分，工作時承受交變載荷，使用5731h后發生斷裂。

故障件斷口檢查，斷面經清洗后的宏觀形貌，可見斷口位于臺階與軸過渡的圓角處，斷口無明顯塑性變形痕跡，斷面左側斷面較為平整，表面有明顯的疲勞條帶，為典型疲勞斷口形貌。故障件斷口宏觀形貌，見圖11-211。

疲勞源位于斷口邊緣，呈彎曲載荷下的疲勞源特征，將斷口面分為A、B、C、D四個區域， 從斷口宏觀形貌分析，A區應為疲勞源區，B區為疲勞裂紋擴展區，C區為裂紋快速擴展區，D區為剪切斷面，為終斷區。

圖11-212為斷面A區微觀形貌，可見斷口表面有磨損痕跡。

圖11-213所示為斷口外側臺階與軸過渡的圓角，可見明顯的加工刀痕和孔洞缺陷。

圖11-211 軸斷口宏觀形貌

圖11-212  斷面A區微觀形貌              圖11-213  斷面A區微觀形貌

圖11-214所示為斷面B區微觀形貌，可見明顯的疲勞條帶，為疲勞裂紋擴展區。

圖11-215所示為斷面C區微觀形貌，可見明顯的準解理形貌，伴隨晶間二次裂紋，為裂紋快速擴展區。

圖11-214  斷面B區疲勞條帶形貌          圖11-215   斷面C區微觀形貌

圖11-216所示為斷面D區微觀形貌，可見大量韌窩，為瞬斷區。

圖11-217所示為斷面D區微觀形貌，發現斷面存在較孔洞缺陷，可能是顯微疏松和夾雜。。

圖11-216斷面D區微觀形貌               圖11-217斷面孔洞形貌

在斷口附近截取金相試樣觀察：

圖11-218為試樣圓角表面組織，組織為回火索氏體+輕微魏氏組織。

圖11-219試樣心部組織；組織為回火索氏體+較嚴重魏氏組織，以及網狀鐵素體，金相組織表明該故障件已過熱。

圖11-218  圓角處表面金相組織           圖11-219  心部金相組織

故障件圓角外形及表面金相組織檢查，可見圓角過渡不圓滑，未達到設計要求，表面未見脫碳或滲碳跡象，圓角外形及表面金相組織，圖11-220所示。

對故障軸進行宏觀金相檢測，根據《GB/T 1979-2001 結構鋼低倍組織缺陷評級圖》規定，判定為中心疏松4級，如圖11-221所示，

故障軸硬度試驗結果，心部硬度263、253、260HV10，技術要求為274-327HV10，心部由于組織異常，硬度偏低。

采用直讀光譜法對失效樣品進行化學成分分析，結果符合《GB/T 3077-1999》標準對40Cr鋼化學成分的要求。

圖11-220  故障軸圓角處金相組織           圖11-221 故障軸低倍金相

故障軸構件圖紙及斷裂位置、受力情況位置示意圖如圖11-222、圖11-223所示。

圖11-222失效構件圖紙

圖11-223 故障軸斷裂位置、受力情況位置示意圖

斷裂試樣表面硬度、化學成分符合技術要求。金相組織存在異常，表明試樣熱處理過程不符合工藝要求，存在過熱情況。宏觀金相顯示試樣內部存在疏松，但這些不是引起構件斷裂的根本原因。

斷口形貌顯示，斷面存在明顯的疲勞條帶，呈典型疲勞斷裂特征；疲勞源位于臺階過渡的圓角處，圓角處為應力集中處；疲勞源區位于臺階與軸過渡的圓角區域。疲勞裂紋擴展區面積約占整個斷面面積的二分之一。

根據圖紙可知，圓角半徑設計值為1mm，但是金相檢測表明圓角過渡并不圓滑、順暢，未達到設計要求，導致應力集中明顯，同時圓角處的加工刀痕及鑄造缺陷加劇了應力集中，這是引起構件疲勞斷裂的根本原因。

疲勞裂紋源在應力集中處產生，由于構件中心疏松嚴重，金相組織異常，存在魏氏組織等缺陷，使疲勞裂紋容易擴展，轉向臂下端軸在交變載荷作用下疲勞進一步擴展，最后疲勞斷裂。

根據以上分析，可以得出如下結論與啟示：

（1）故障件的斷裂性質是疲勞斷裂。

（2）引起疲勞斷裂的原因是臺階過渡處圓角未達到設計要求，機加工有明顯刀痕，以及鑄造缺陷等引起斷裂件局部位置應力集中，應力集中處產生疲勞源，由于故障件存在中心疏松和在魏氏組織，使疲勞裂紋容易擴展，在交變載荷作用下展最后疲勞斷裂。

（3）優化軸與臺階過渡處的圓角設計，加工后進行尺寸測量，保證加工精度滿足設計要求，

（4）機加工后增加噴丸處理，增加構件的抗疲勞能力。

（5）應加強鑄造及熱處理環節的質量控制，使鑄造質量和熱處理質量滿足技術要求。