一般來說，機(jī)械零件在服役過程中的失效，其原因相當(dāng)復(fù)雜，涉及到設(shè)計結(jié)構(gòu)問題、選用的鋼種、鋼材的冶金質(zhì)量、鋼件的加熱、鍛造、熱處理工藝方法及工藝參數(shù)、零件的服役條件（工況）等諸多方面，這些因素又往往相互聯(lián)系和制約，往往是多種因素交織在一起，有時候從表象上看顯得撲朔迷離。盡管人們認(rèn)識到許多零件失效是由疲勞和（或）沖擊造成的，但對引起疲勞或沖擊的力的作用機(jī)理缺少足夠的認(rèn)識。

以汽車零件為例，對同一形態(tài)的失效而言，如果這種失效在各種條件（路面、季節(jié)等）下都會發(fā)生，則可歸結(jié)為設(shè)計上的原因；如果這種失效方式僅僅在山區(qū)惡劣的路面上送砂石和木材而發(fā)生，則可歸因于服役條件過于惡劣。無論哪種情況，制造廠（司）都應(yīng)分析原因并予以預(yù)防。但要找出失效的真正原因，則并非易事，以下列舉幾種以熱處理缺陷為主要原因的失效實例。

1.1 淬火回火零件

1.1.1 硬度不足引起的扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂

對經(jīng)鍛造、退火和淬火回火的鋼制花鍵軸在直經(jīng)40㎜的花鍵處扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂件進(jìn)行

分析：

花鍵軸由SCr4（40Cr）鋼制成，表面硬度很低，僅為23～26HRC。為防止這種斷裂，曾改用SCM4（42 CrMo）鋼，把軸的表面硬度提高到32～35HRC，但花鍵軸依然發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。斷口觀察發(fā)現(xiàn)：以上兩種情況的斷裂，裂紋都從表面向心部延伸，是典型的扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。作為防止扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂的有效措施是：在不改變軸的尺寸和形狀的條件下調(diào)整軸的表面硬度。行走試驗結(jié)果表明：表面硬度在40HRC以上便不發(fā)生斷裂，而表面硬度在40HRC以下則發(fā)生斷裂。即便使用含鎳的SNCM8（40 CrNiMoA）鋼制造，若表面硬度低于40HRC，同樣也會發(fā)生斷裂。而當(dāng)使用SCr4鋼時，只要表面硬度達(dá)到40HRC就少有斷裂。由此可見，硬度的影響重于鋼種的影響。當(dāng)然，硬度高于40HRC時，對花鍵的熱后加工造成困難是不可避免的。

花鍵軸經(jīng)淬火回火后，還應(yīng)考慮所用鋼的淬透性帶寬度，硬度達(dá)到40HRC的合格率問題。根據(jù)花鍵軸淬火油槽的冷卻強(qiáng)度求出的與直經(jīng)40㎜圓棒的表面和中心相當(dāng)?shù)膯堂髂峋嚯x，分別為12.7㎜和19㎜。當(dāng)然，這兩個數(shù)值將因淬火裝置的冷卻強(qiáng)度不同而不同?，F(xiàn)根據(jù)SCr4H鋼的淬透性帶來考慮，表面和中心的淬火硬度分別為38～54HRC和 31～47HRC。這里不用中心硬度。實驗確定，對0.4%的鋼來說，為了在淬火回火后能獲得良好的機(jī)械性能，其最低淬火硬度為50HRC。實際上，美國公司過去也有把花鍵軸的表面最低淬火硬度規(guī)定為48HRC的，這一最低淬火硬度與SCr4H鋼的表面硬度38～54HRC相比，可以認(rèn)為硬度在48HRC以上的花鍵軸約占總數(shù)的50%。因為只有表面硬度達(dá)到48HRC以上的軸經(jīng)400℃以上溫度的回火才能保證表面硬度在40HRC以上，所以熱處理合格率僅為50%左右。

當(dāng)然，可以考慮以降低回火溫度來保證硬度，但對于1%Cr左右的SCr4H鋼或SCM4H鋼而言，在400℃以下回火是不充分的。如能證明經(jīng)400℃以下回火的花鍵軸，其硬度能保在40HRC以上，且實際行走試驗時不發(fā)生斷裂，那么降低回火溫度也未償不可。

結(jié)論：對于直經(jīng)40㎜圓棒來說，由于SCr4H鋼的淬透性不足，故重點研究了淬透性比SCr4H鋼更好的SCM4H鋼。當(dāng)采用SCM4H鋼時，圓棒表面和中心的淬火硬度分別為46～57HRC和39～55HRC，表面硬度大部分在48HRC以上，因此決定用SCM4H鋼來制造花鍵軸，且設(shè)計要求應(yīng)把淬火回火后的硬度規(guī)定為40HRC以上。

1.1.2 脫碳引起的彎曲疲勞斷裂對由S55C鋼制成，在長期服役過程中斷裂的零件進(jìn)行失效分析：該工件經(jīng)鍛造、正火后進(jìn)行淬火回火處理，硬度為20HRC左右。是由彎曲引起的疲勞斷裂。通過顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，在斷裂起點附近有相當(dāng)嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象。

1.2 高頻淬火零件

早期的小型汽車用發(fā)動機(jī)曲軸都用SCr4制造，經(jīng)鍛造退火后進(jìn)行整體淬回火處理，表面硬度規(guī)定為40HRC。按這種方案制成的曲軸在服役過程時有斷裂現(xiàn)象發(fā)生，經(jīng)斷口分析發(fā)現(xiàn)：斷裂源在彎角附近，斷裂源附近硬度在35HRC左右，低于規(guī)定值，斷口是以彎曲為主的疲勞斷口。

作為預(yù)防和糾正措施之一是：在不改變曲軸形狀、尺寸和鋼種的前提下，改用高頻淬火。預(yù)處理有兩種方法：一是鍛造、正火、淬火回火，表面硬度為38HRC；二是鍛造、正火，表面硬度為18HRC。將上述兩種預(yù)處理狀態(tài)的曲軸經(jīng)同樣的高頻淬火后裝機(jī)進(jìn)行10 h臺架試驗，然后裝車進(jìn)行行走試驗，前者未發(fā)生斷裂，而后者則從高頻淬火硬化層邊緣處斷裂，斷口形貌是以彎曲為主的疲勞斷口。

一般說來，當(dāng)由鉻鉬合金鋼制成的曲軸采用第一種預(yù)處理方案時，其硬化層的硬度和深度均優(yōu)于第二種方案，其缺陷是增加一道淬火回火工序。當(dāng)采用第二種方案時，若能改變曲軸形狀和尺寸，則亦可保證不發(fā)生斷裂，但實際上要想改變曲軸的形狀和尺寸并非一件易事。因此，作為熱處理方面，只好考慮在加熱線圈上多想辦法，如果能把圓角處也淬硬，則或許斷裂就可避免。例如，形狀和尺寸各不相同的大型發(fā)動機(jī)曲軸一般均用SC45C（45#）鋼制造。其熱加工流程為鍛造、正火和高頻淬火，由這種方法所制造的曲軸，在使用中不發(fā)生斷裂的例子也是很多的。

結(jié)論：對于小型汽車發(fā)動機(jī)曲軸而言，為了防止斷裂的發(fā)生，決定改用淬透性較好的SCM4鋼，熱加工流程是鍛造、正火、常規(guī)的淬火回火，表面硬度控制在42HRC左右。這種狀態(tài)的曲軸鮮有斷裂。

1.3 滲碳硬化零件

1.3.1 淬火不良引起的斷裂

對SCr22鋼制作的轉(zhuǎn)向節(jié)主銷在使用過程中的斷裂件進(jìn)行分析：主銷的生產(chǎn)工藝流程是鍛造、退火、切削加工、滲碳、淬火回火。如前所述，失效的原因是復(fù)雜的，不可一概而論。對主銷滲碳層進(jìn)行顯微組織觀察可以看到許多網(wǎng)狀碳化物，硬度僅為15HRC。在未滲碳部分出現(xiàn)帶狀鐵素體的問題不能簡單地看成熱處理缺陷。根據(jù)分析可知：該主銷滲碳后的淬火溫度偏低，結(jié)果導(dǎo)致淬火硬度偏低，整個零件脆弱且強(qiáng)度不足。 1.3.2 過滲碳引起斷裂

對由 SCr22鋼制成的差速器行星齒輪的斷裂失效件進(jìn)行分析：該齒輪生產(chǎn)工藝流程是鍛造、退火、切齒、滲碳、淬火回火。所使用鋼材含碳量為0.25%，比規(guī)定值稍高。在滲碳層中可看到較多的粒狀碳化物，滲碳層硬度為60～62HRC，深度為1.40㎜，稍深。此外，滲層的裂紋大部分沿晶界形成。齒根處芯部硬度較高。為37HRC。由此可以斷定，斷裂原因為過滲碳，而且因為淬火溫度偏低而致整個齒輪脆弱且強(qiáng)度亦低。

1.3.3 硬度不適引起破壞

對由SNCM21鋼制作的傳動齒輪失效件進(jìn)行分析：該齒輪生產(chǎn)工藝流程為鍛造、退火、切齒、滲碳、淬火回火。滲碳層表面硬度為61HRC，厚度為1.20㎜。齒根處心部的硬度為25HRC。該硬度值作為傳動齒輪的芯部硬度顯得過低。

金相組織觀察可以看到滲碳層與未滲碳部分交界處裂紋形貌。一般認(rèn)為，裂紋在硬化層與芯部交界處形成，在交界面上平行于滲層表面擴(kuò)展，最后垂直表面剝落。根據(jù)經(jīng)驗，這種破壞在未滲碳部分硬度較低時容易發(fā)生。滲層表面硬度一般在60HRC以上，若把齒輪根圓與齒輪中心線交點處的硬度規(guī)定為芯部硬度，則根據(jù)經(jīng)驗，轎車傳動齒輪的芯部硬度在30～35HRC時，不會發(fā)生破壞；反之，高于或低于該范圍均易發(fā)生非正常損壞。不過，硬度低與高的齒輪，其斷口形貌不同。載重汽車齒輪硬度以高一些為佳。當(dāng)然，這里所分析的失效齒輪是含鎳的SNC21鋼所制造，但如果保證齒輪芯部硬度在30～35HRC，即便使用SCr22鋼或SCM22鋼制造，也鮮有斷裂。

當(dāng)然，對某些齒輪而言，即使其芯部硬度不在30～35HRC范圍，但在使用中也未必發(fā)生損壞，這一事實說明：并非所有齒輪芯部硬度都應(yīng)規(guī)定在該范圍。對某些使用條件不太苛刻，工況并不惡劣的齒輪，芯部硬度對其斷齒強(qiáng)度則影響甚微。