張 素,鄧愛(ài)林,廖春平
(1.新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)分院,新疆 烏魯木齊 830021) (2.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621000) (3.成都科萊斯低溫設(shè)備有限公司,四川 成都 611230)
聯(lián)軸器是用來(lái)聯(lián)接主動(dòng)軸和從動(dòng)軸,使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件,具有較好的柔韌性和抗沖擊性,即使在高速下也能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)并能承受較大的工作量[1]。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中,聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用[2-4]。在交變載荷的作用下,聯(lián)軸器易發(fā)生斷裂、蜂窩等現(xiàn)象,其失效原因主要是設(shè)計(jì)不良、制造質(zhì)量差以及安裝不當(dāng)?shù)萚5]。為了探究聯(lián)軸器失效原因,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。Domazet等[6]對(duì)軋機(jī)聯(lián)軸器的失效進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,聯(lián)軸器由于設(shè)計(jì)不當(dāng),在工作的過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致疲勞失效。Reboh等[7]發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器系統(tǒng)中疲勞裂紋的萌生點(diǎn)發(fā)生在焊縫處,因此對(duì)焊接過(guò)程應(yīng)有嚴(yán)格的要求。馬肇基等[8]針對(duì)通風(fēng)機(jī)彈性聯(lián)軸器在生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象進(jìn)行了分析,研究發(fā)現(xiàn)是因?yàn)槁?lián)軸器設(shè)計(jì)不當(dāng)以及裝配誤差導(dǎo)致強(qiáng)度降低。
本文針對(duì)某廠家生產(chǎn)的用于多功能試驗(yàn)臺(tái)的DY08型彈性聯(lián)軸器,在使用約3個(gè)月后(每天工作1 h計(jì))出現(xiàn)斷裂的情況,運(yùn)用化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、宏觀檢查、斷口形貌分析、金相組織分析等方法,分析其斷裂失效的原因。
在失效的彈性聯(lián)軸器上截取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表1,可見(jiàn)滿足GB/T3190—2008的技術(shù)要求。
表1 彈性聯(lián)軸器化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %
硬度是重要的力學(xué)性能指標(biāo),反映的是材料彈性和塑性變形性能。本文采用維氏硬度檢測(cè)方法檢測(cè)該斷裂件,將斷件置于顯微硬度計(jì)上,取6個(gè)點(diǎn)(部分壓痕如圖1所示),并對(duì)測(cè)得的值求取平均值,結(jié)果見(jiàn)表2。舍去壓點(diǎn)2和6,得到該彈性聯(lián)軸器的維氏硬度為111HV(F=2.942N),符合GB 5237.1—2017中硬質(zhì)鋁合金的硬度標(biāo)準(zhǔn)。點(diǎn)2的硬度偏高,說(shuō)明材料中存在脆硬相。
圖1 壓痕
表2 維氏硬度
斷口的宏觀檢查是為了逐步判斷斷裂失效的性質(zhì)、斷裂的起源、造成斷裂的載荷因素以及工作環(huán)境等[9]。用細(xì)毛刷輕刷斷口,觀察斷面(如圖2所示),可見(jiàn):聯(lián)軸器斷面呈銀灰色,部分區(qū)域呈黑灰色,對(duì)光轉(zhuǎn)動(dòng),邊緣區(qū)域有閃閃發(fā)光的突起棱邊;斷口可以拼合復(fù)原;有光澤,無(wú)氧化,無(wú)腐蝕痕跡;無(wú)明顯冶金缺陷。沿著斷面上的放射狀花樣,可以發(fā)現(xiàn)裂紋起始于斷口的邊緣處,并沿著徑向擴(kuò)展,如圖2中圓圈區(qū)域所示。在交變應(yīng)力的作用下,在斷口的另一側(cè)形成撕裂棱。
圖2 斷口宏觀形貌
將斷口置于型號(hào)為BX51的反射偏光顯微鏡下觀察,可見(jiàn)斷面粗糙不平,呈階梯狀,沒(méi)有明顯的塑性變形,如圖3所示。將斷口用超聲波清洗儀清洗并鍍金后,置于型號(hào)為EV018的鎢絲燈低倍掃描電鏡下觀察圖2中圓圈區(qū)域,如圖4所示。箭頭指向區(qū)域斷面平坦整齊,沒(méi)有塑性變形,而圖中左側(cè)橢圓區(qū)域內(nèi),存在明顯的撕裂棱,屬于脆性斷裂形貌。另外,方框區(qū)域有明顯的參差不齊的加工刀痕,在交變應(yīng)力的作用下,很容易在此處形成應(yīng)力集中,使此處成為薄弱區(qū)域,成為裂紋萌生的源點(diǎn)。
圖3 光鏡下的斷口形貌
圖4 斷口的低倍形貌(100×)
將斷面放在1 000倍的掃描電鏡下觀察,如圖5所示,斷裂晶粒呈現(xiàn)為粗大的塊狀,每個(gè)晶粒的多面體形貌類似于巖石塊的堆集,表現(xiàn)出巖石狀斷口,并且由于多面體感強(qiáng),各晶粒塊之間存在裂痕,故3個(gè)晶界面相遇之處能見(jiàn)到三重結(jié)點(diǎn),表明該斷口屬于沿晶脆性斷裂。
圖5 斷口的高倍形貌(1 000×)
在高倍掃描電鏡下觀察裂紋疲勞擴(kuò)展區(qū)的斷口,如圖6(a)所示,可見(jiàn)清晰的疲勞輝紋,表明該聯(lián)軸器受到交變應(yīng)力的作用,屬于疲勞脆性斷裂。對(duì)裂紋擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行EDS分析,發(fā)現(xiàn)其Si元素的含量明顯高于基體,如圖6(b)所示。過(guò)多的Si元素易形成脆硬的化合物,使得聯(lián)軸器的脆性增加而塑性下降,損害基體[10]。
斷裂零件的金相組織如圖7所示,由圖可見(jiàn)金相組織成分均勻,晶粒較細(xì),無(wú)嚴(yán)重夾雜及疏松等組織缺陷。圖8為聯(lián)軸器斷面切縫邊緣處金相組織形貌,圓圈區(qū)域中顯示微小的裂紋從邊緣表面處開(kāi)始向內(nèi)延伸,表明裂紋源存在于邊緣的表面。
圖6 斷裂擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌與其EDS結(jié)果
圖7 正常部位組織
圖8 斷面邊緣組織
通過(guò)斷口形貌可知,斷裂面無(wú)明顯的塑性變形,在高倍掃描電鏡下斷裂晶粒呈現(xiàn)巖石狀的堆集,是典型的脆性沿晶斷裂,且裂紋的擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)疲勞輝紋,由此可知,該聯(lián)軸器斷裂屬于疲勞脆性斷裂。
由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知:該彈性聯(lián)軸器的硬度符合技術(shù)要求,但個(gè)別區(qū)域的硬度偏高。經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn),斷裂面Si元素含量超標(biāo),表明Si元素與其他元素產(chǎn)生了硬化相,使得材料的硬度分布不均,局部區(qū)域硬度偏高。金相組織成分均勻,顯微組織正常,晶粒細(xì)小,無(wú)嚴(yán)重夾雜及疏松等組織缺陷,表明該彈性聯(lián)軸器的熱處理質(zhì)量尚好。
斷口觀察結(jié)果顯示,斷面存在放射狀的貝紋線,沿著貝紋線擴(kuò)展的反方向確定了裂紋源位于斷口的邊緣,且在斷口邊緣處發(fā)現(xiàn)存在加工刀痕,表明聯(lián)軸器在工作的過(guò)程中受到交變載荷的作用,在加工刀痕處產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中,其應(yīng)力值遠(yuǎn)大于材料的強(qiáng)度極限[11],降低了聯(lián)軸器的承載能力,成為裂紋的起始點(diǎn)。能譜分析結(jié)果表明,材料中存在脆硬相,在應(yīng)力集中時(shí),容易形成微裂紋,當(dāng)聯(lián)軸器處于交變載荷的工作狀態(tài)下,微裂紋逐漸聚集和擴(kuò)展。需要注意的是,在聯(lián)軸器的兩端與彈簧片的交接處厚度不均,所承載的扭轉(zhuǎn)能力不同[12]。在高速旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)下,聯(lián)軸器的兩端存在轉(zhuǎn)速差,導(dǎo)致安裝過(guò)程中出現(xiàn)軸心無(wú)法對(duì)中的情況[1],產(chǎn)生上下振動(dòng),此時(shí)的彈簧片將同時(shí)受到周向的扭矩和軸向的拉力,使得裂紋加速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致聯(lián)軸器發(fā)生斷裂。
1)該彈性聯(lián)軸器的斷裂模式為疲勞脆性斷裂。
2)該彈性聯(lián)軸器斷裂失效的主要原因是由于聯(lián)軸器本身存在加工刀痕,在應(yīng)力集中處產(chǎn)生微裂紋(即裂紋源)。
3)材料中Si元素的含量偏高,產(chǎn)生脆硬相,使得聯(lián)軸器韌性下降而脆性增加,在交變載荷的作用下,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展,最終發(fā)生疲勞斷裂。因此在選擇材料時(shí)應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)材料的質(zhì)量。
4)聯(lián)軸器表面殘留的加工刀痕是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要原因,可以通過(guò)選擇合適的加工方法,提高聯(lián)軸器的表面質(zhì)量,并在裝配前嚴(yán)格檢查其表面質(zhì)量,避免出現(xiàn)加工缺陷。
機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程2018年10期