失效件為汽車電機軸，材質為42CrMo，熱處理工藝為調質處理，機加工順序為車、磨、銑。該電機軸在使用4年左右，軸承損壞并更換過軸承，更換軸承后使用一段時間發生斷軸，斷面正好與軸承背面貼平。如圖1所示，斷裂位置位于P1和P2之間，P2和P3本為一體，廠家已將P2、P3之間部分鋸切掉，此部分距離斷口較遠，不影響斷軸原因分析。
2 檢查分析
2.1 外觀檢查
斷口兩部分能無縫對接，無明顯塑性變形；P1靠近斷口部分表面呈高溫氧化色，大約占半根軸的長度，斷口位于大徑與小徑幾何尺寸突變臺階的R角。
P1斷口外圈亮色且有同心圓周痕的位置為軸肩臺階面，靠近外表面有熔珠狀金屬黏附在表面，熔珠呈高溫氧化色；斷口外圈基本上已被摩擦撞擊破壞，只有中間區域斷口完好，可觀察到明顯的扭轉疲勞條紋。
P2表面具有明顯圓周方向、寬度一致的摩擦痕跡，摩擦痕較淺，為軸頸位置；在軸頸的兩側可觀察到明顯未熔合金屬層，結合P1斷口表面存在熔珠現象，推斷電機軸可能存在補焊，后續通過金相分析和SEM/EDS分析再驗證。
P2斷口平整，斷面與軸向垂直，斷口外表面多處存在缺口及裂紋，缺口內表面呈氧化色且有較多污染物；斷口外圈光滑且呈暗色，占整個斷口面積3/4左右，部分亮色區域為斷軸后撞擊摩擦形成；中心區域若干同心圓狀的扭轉疲勞條紋，占整個斷口面積1/4左右，呈扭轉疲勞特征。
2.2 SEM+EDS檢查
如圖8-圖13所示，P1斷口邊緣為軸肩位置，可觀察到明顯的熔珠；斷口外圈大部分區域已被摩擦撞擊破壞，未破壞區域呈暗色，表面光滑，為穿晶解理特征；斷口心部可觀察到明顯的同心圓形疲勞條帶，為扭轉疲勞斷口。
如圖14-圖19所示，P2斷口形貌與P1類似，外邊存在較多缺口，對缺口金相EDS微區成分分析，結果見表1，外邊緣成分與心部成分存在差異（外邊緣不含Cr、Mn），確認外邊緣不同形貌位置為補焊層。
表1.P2斷口邊緣EDS分析結果（wt%）
| Spectrum | C | O | Na | Al | Si | P | Cl | Ca | Cr | Mn | Fe | Total |
| 1 | 13.2 | 16.8 | 0.8 | / | 1.0 | / | 0.5 | / | / | / | 67.8 | 100.0 |
| 2 | 5.4 | 5.0 | / | 0.9 | 1.3 | 0.5 | / | 0.7 | 1.3 | 0.6 | 84.2 | 100.0 |
2.3 硬度試驗
按GB/T 230.1-2009標準方法檢驗失效件橫截面心部和外表面硬度，結果記入表2。
GB/T 3077-199中42CrMo的淬火+回火（調質處理）工藝后的硬度要求為≤217HBW，參照ASTM E140-05E1《金屬標準硬度換算表》標準轉換成洛氏硬度約為20HRC，心部硬度偏高，外表面硬度偏低。
表2. 硬度檢查結果（HRC）
| 測試位置 | 1 | 2 | 3 | 平均值 |
| 外表面 | 9.0 | 11.2 | 15.8 | 12.0 |
| 心部 | 27.3 | 27.8 | 28.2 | 27.8 |
2.4 金相分析
如圖20-圖25所示,沿P1軸向做切片,拋光腐蝕后發現軸表面與心部組織具有不同組織,界限明顯,確定軸承裝配位置存在補焊操作，斷口位于補焊邊緣的熱影響區，將圖中不同組織區域依次標記為A、B、C：A為補焊熔融區，B為軸熱影響區，C為軸基材，金相組織依次：A區為網狀、粗針狀鐵素體+粒狀和針狀馬氏體+針片狀魏氏體，按GB/T1329-1991評定魏氏體組織為B系列5級；B區為少量粒狀體鐵素體基體珠光體；C區為少量針狀魏氏體+保留馬氏體位向的針狀索氏體，心部帶狀組織明顯，按GB/T1329-1991評定帶狀組織級別為C系列5級。
2.5 化學成分分析
采用ICP分析電機軸材質成分，分析結果見表3，與GB/T 3077-1999對照，符合42CrMo牌號鋼材的標準要求，無錯料現象。
表3：化學元素分析結果(wt%)
| 元素 | 測試結果（%） | 檢出限（%） | 3標準要求（%） |
| 碳（C） | 0.4162 | 0.0010 | 0.38~0.45 |
| 硫（S） | 0.0053 | 0.0005 | ≤0.25 |
| 硅（Si） | 0.2530 | 0.0010 | 0.17~0.37 |
| 錳（Mn） | 0.7595 | 0.0010 | 0.50~0.80 |
| 磷（P） | 0.0137 | 0.0010 | ≤0.25 |
| 鉻（Cr） | 1.145 | 0.0010 | 0.90~1.20 |
| 鎳（Ni） | 0.0298 | 0.0010 | ≤0.30 |
| 鉬（Mo） | 0.1737 | 0.0010 | 0.15~0.25 |
| 銅（Cu） | 0.0242 | 0.0010 | ≤0.20 |
3 理論分析
一般軸頸補焊過程中要遵循的以下原則：
（1）由于所焊接的電機軸是經過調質處理的，在焊接加工后不可能對其進行恢復熱處理工藝，因此，焊接后的強度要達到或接近電機軸原有的機械性能，并在焊接過程中采取合理措施減小熱影響區的軟化。
（2）盡可能減小焊接變形，為后續的機加工帶來方便。
（3）碳量及合金元素含量較高，焊接時有較大的熱裂紋敏感性并有較大的冷裂紋傾向，焊接時應避免焊接裂紋的產生。
從外觀檢查及低倍分析可知，斷口位于軸肩過渡圓角位置，該位置存在較多補焊后未焊合的缺口，且缺口的尺寸較大，約半根軸表面呈高溫氧化色，說明在補焊過程中受熱程度特別高，影響范圍大，即補焊后殘留較高的熱應力。
后續SEM/EDS、金相分析確定斷裂起源于表面的未焊合的缺口，也是補焊后的熱影響區，呈多源分布特征。熔融區存在較多的魏氏體組織，心部也存在少量魏氏體組織和和較嚴重的帶狀組織，魏氏體組織塑性差、韌性低，會明顯降低軸的強度，也是熱應力殘留較高的特征之一，可見電機軸在補焊后未能消除熱應力影響。
從硬度上看，參考GB/T 3077-199標準，心部受焊接熱影響，導致硬度偏高。
從成分上看，電機軸用料正確，無錯料現象。
綜上，電機軸失效原因為補焊位置存在較大熱應力，且易應力集中的軸肩過渡圓角位置存在表面缺陷，受扭力作用條件下在表面缺口缺陷位置疲勞起源開裂，導致電機軸扭轉疲勞失效。
4 結論
電機軸失效的原因為軸頸位置補焊后存在較大的熱應力，軸肩過渡圓角位置存在未焊合的缺口，加上軸肩過渡圓角屬于易應力集中位置，在扭力作用下未焊合的缺口成為疲勞源，最終導致扭轉疲勞斷裂失效。