范 偉

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077)

軸在機(jī)械設(shè)備中工作條件較為復(fù)雜，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)軸類(lèi)斷裂的故障時(shí)有發(fā)生。針對(duì)發(fā)生的軸類(lèi)斷裂事故，找出軸件斷裂原因，對(duì)提高設(shè)備的安全性、經(jīng)濟(jì)性有著重大的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)意義。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某廠家制造的32t摩擦焊機(jī)在使用期間發(fā)生的質(zhì)量事故，對(duì)斷裂主軸作以下幾項(xiàng)分析：(1)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行材料化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織等分析;(2)宏微斷口分析;(3)外觀檢查和斷裂原因綜合分析，提出改進(jìn)和防止失效的措施。

1 主軸材料的理化檢測(cè)與分析

1.1 化學(xué)成分檢測(cè)

合金元素加入鋼中之后，對(duì)鋼的相變、組織和性能的影響一般取決于合金元素與鐵和碳的相互作用［1］。從主軸小直徑段上取樣進(jìn)行材料化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出，主軸材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

1.2 金相組織檢驗(yàn)

取縱剖面金相樣，組織中有較多厚度超尺寸的

表1 主軸材料化學(xué)成分分析結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)照 (%)

非金屬夾雜物，較大尺寸的非金屬夾雜物的斷續(xù)長(zhǎng)度將近1mm，厚度將近80μm。非金屬夾雜物的成分和形態(tài)如圖1所示，材料中非金屬夾雜物主要為硫化錳類(lèi)和含硅、錳、鋁等的硅酸鹽類(lèi)，夾雜物的形態(tài)和分布不規(guī)則，有沿縱向分布的趨勢(shì)，這與大尺寸鍛件的鍛造比較小有關(guān)。金相組織檢驗(yàn)結(jié)果表明：組織晶粒度級(jí)別和非金屬夾雜物級(jí)別符合實(shí)際要求。

1.3 材料力學(xué)性能試驗(yàn)

主軸的力學(xué)性能是其設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)［2］。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) JB/T10663-2006、JB/T1265-2002的要求，分別在主軸斷面兩端距離表面1/3R處取樣，在常溫下進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)送檢主軸的材料力學(xué)性能符合規(guī)定要求。

1.4 布氏硬度檢驗(yàn)

圖1 非金屬夾雜物主要成分及形態(tài)

表2 主軸材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

在主軸大、小直徑段靠近斷口側(cè)取橫截面試樣，打磨后進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。由數(shù)據(jù)得知，各區(qū)域硬度分布均勻，符合標(biāo)準(zhǔn)硬度均勻性要求，可以判斷主軸疲勞斷裂不是由于材料強(qiáng)度不足引起的，而是因?yàn)槌叽绲姆墙饘賷A雜物造成了組織不連續(xù)，最后導(dǎo)致了失效斷裂。

2 主軸斷口的特征分析

對(duì)斷口形貌特征進(jìn)行全面的分析研究，可以了解或掌握斷裂失效的全過(guò)程。

2.1 宏觀分析

斷口宏觀分析的主要任務(wù)是估算斷裂失效應(yīng)

表3 主軸布氏硬度測(cè)試結(jié)果(HBW5/750)

力集中的程度和名義應(yīng)力的高低、斷口的平直情況和主要特征形貌等［3］。圖2是斷口宏觀形貌，由于在斷裂后，匹配斷面之間發(fā)生相互摩擦，斷口局部留下擦傷痕，但是斷面上主要特征區(qū)域斷口沒(méi)有嚴(yán)重?fù)p傷。從斷面上貝紋狀花樣可以看出，該主軸屬于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂，疲勞裂紋起始于消應(yīng)力槽表面線性區(qū)域，裂紋擴(kuò)展的方向如圖2中箭頭所示。最終過(guò)載斷裂區(qū)位于一側(cè)邊部附近，面積非常小，不到斷面總面積的1/100，表明斷面總體上屬于低公稱(chēng)應(yīng)力和偏載應(yīng)力集中狀況下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。

圖2 斷口宏觀形貌

2.2 微觀分析

掃描電子顯微鏡觀察斷口的實(shí)用倍數(shù)在20～10 000倍之間［4］。斷面不同區(qū)域的斷口形貌如圖3所示。起裂區(qū)為平行消應(yīng)力槽的線性范圍表面，起裂邊緣區(qū)斷口有磨損，裂紋源未觀察到異常材料缺陷。

圖3 起裂區(qū)附近斷口微觀形態(tài)及部分區(qū)域的斷口特征

在裂紋源區(qū)附近觀察側(cè)表面狀況，可見(jiàn)平行斷面較深的加工刀痕，刀痕處已經(jīng)形成毫米級(jí)長(zhǎng)度的微裂紋。局部表面還觀察到有點(diǎn)狀腐蝕坑和沿加工方向(平行斷面)的腐蝕溝痕，如圖4所示。

2.3 消應(yīng)力槽曲率半徑的檢測(cè)

圖5是主軸變截面處垂直表面消應(yīng)力槽的縱

圖4 斷口側(cè)表面的平行斷面的機(jī)加工刀痕

剖面形狀和消應(yīng)力槽過(guò)度圓角曲率半徑測(cè)量結(jié)果，測(cè)量出斷面起裂側(cè)過(guò)渡圓角半徑為1．33mm，消應(yīng)力槽沿軸徑方向沒(méi)有明顯的加工深度，與設(shè)計(jì)圖紙要求的形狀存在差別。

圖5 R圓弧處形貌

2.4 討論

斷口分析結(jié)果表明：該主軸疲勞斷口區(qū)最后瞬斷區(qū)面積不到斷面總面積的1%，疲勞斷口區(qū)的微觀斷口主要為低應(yīng)力疲勞斷口，說(shuō)明主軸斷口總體上屬于低公稱(chēng)應(yīng)力下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口;斷口上最后瞬斷區(qū)不是位于內(nèi)部，而是位于一側(cè)邊部附近，屬于非對(duì)稱(chēng)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞，說(shuō)明斷裂過(guò)程存在一定程度的偏載;沒(méi)有看到大應(yīng)力過(guò)載引起的撕裂紋，或異常機(jī)加工類(lèi)缺陷，說(shuō)明起裂過(guò)程是在表面加工刀痕或腐蝕溝痕等微觀應(yīng)力集中位置，經(jīng)過(guò)較低的交變應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間孕育而形成疲勞裂紋源的。

消應(yīng)力槽圓角曲率半徑為1．33mm，小于設(shè)計(jì)要求的2mm，導(dǎo)致該位置應(yīng)力集中增加約10%;不均勻腐蝕可增加表面微觀應(yīng)力集中，造成進(jìn)行性應(yīng)力集中狀態(tài)變差，這些都是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降的因素。

3 結(jié)論

a．摩擦焊機(jī)主軸失效屬于低應(yīng)力水平下的高周旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂，承載截面存在彎曲偏載，且主軸材料組織中有較多厚度超尺寸的非金屬夾雜物，破壞基體連續(xù)性，影響主軸的各項(xiàng)性能，是導(dǎo)致主軸失效斷裂的因素。

b．主軸斷口側(cè)加工刀痕、消應(yīng)力槽曲率半徑偏小和消應(yīng)力槽表面存在腐蝕，這些因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降，是導(dǎo)致主軸發(fā)生疲勞斷裂的重要原因。

［1］ 馬小明，熊燁．高壓水泵主軸斷裂失效分析［J］．石油化工設(shè)備技術(shù)，2010，31(4)：35-37．

［2］ 殷旭汶，郭蘭芬，汪洪，等．摩托車(chē)?yán)锍瘫碇鬏S堵塞失效分析［J］．摩托車(chē)技術(shù)，2010(10)：78-80．

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［4］ 戴素江，盛一川．PC1010錘式破碎機(jī)軸承早期失效分析及應(yīng)對(duì)措施［J］．遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，21(4)：34-35．