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機電設(shè)備主軸斷裂斷口分析論文
摘要:該文針對某轉(zhuǎn)動設(shè)備主軸的斷裂問題,通過宏觀斷口分析、微觀斷口分析、痕跡分析等手段,發(fā)現(xiàn)其宏觀斷口按特征分為4個區(qū)域,呈現(xiàn)皿狀特征,呈現(xiàn)韌性、脆性斷裂特征,與之對應(yīng)的微觀斷口呈現(xiàn)韌窩、解理與準解理等特征。結(jié)合痕跡分析最終推斷,多次過載和不良表面完整性是導(dǎo)致主軸斷裂的主要原因。
關(guān)鍵詞:宏觀斷口;微觀斷口;SEM
某型機電動設(shè)備在石化、冶金等眾多領(lǐng)域具有廣泛的用途,其中一臺在使用約2年后發(fā)生主軸斷裂,斷裂部位直徑約80mm,材料牌號35CrMo,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,工作溫度接近室溫。該文通過主軸宏觀及微觀斷口分析、確定主軸斷裂模式,分析斷裂的原因。
1試驗結(jié)果與分析
1.1宏觀分析
斷裂主軸如圖1所示,為階梯軸,其彎曲明顯,在斷口相鄰的第2個軸肩轉(zhuǎn)接R受彎拉伸一側(cè)可見到沿周向長約50mm的裂縫,斷口附近軸表面及第2軸肩裂紋處約3mm范圍均可見較深加工刀痕,而軸的其余表面狀態(tài)相對較好,未見較深刀痕,見圖3。該文將針對第3軸肩的斷口進行深入分析。
1.2宏觀斷口分析
宏觀觀察斷口沿軸肩R處斷裂,呈皿狀斷口特征,周邊有輕微塑性變形,斷口全貌見圖2。斷口分為幾個不同區(qū)域。1區(qū):其斷口為暗灰色,相對平坦,有細膩的韌性纖維狀斷裂特征,其起始的軸肩表面較粗糙,有較深周向加工刀痕。2區(qū):位于1區(qū)更深入軸心的區(qū)域,斷口為暗灰色,較粗糙,可見與軸圓周平行的條痕,形似纖維狀韌性斷裂特征。3區(qū):位于軸心略偏向一側(cè)位置,斷口呈銀灰色,有清晰放射棱線,很粗糙,可見閃光小刻面,呈現(xiàn)脆性快速斷裂特征。4區(qū):位于軸斷面近表面,斷口暗灰色,局部有外來金屬污染粘著和斷口碰撞損傷痕跡,殘留部分斷口較細膩,呈現(xiàn)纖維狀剪切斷裂特征。這4個分區(qū)有清晰分界,肉眼可清晰分辨。
1.3微觀斷口分析
利用Quanta400掃描電鏡對這4個分區(qū)的斷口顯微形貌進行了微觀形貌觀察(SEM)。(1)斷口1區(qū)顯微形貌見圖3、圖4,在主軸斷口一周存在1區(qū)斷口,斷口起始于一周軸肩表面,為纖維狀斷口特征,可見較細膩的平行于軸圓周的條痕,微觀無明顯擴展棱線,為細小韌窩,這些區(qū)域還可見到平行于軸圓周的韌帶。觀察斷口附近表面,有較深加工刀痕,刀痕底部可見到沿周向分布的多條微裂紋,而軸其他表面狀態(tài)相對較好,僅有淺的加工刀痕,見圖5、圖6。(2)斷口2區(qū)與1區(qū)形貌相似,兩區(qū)占到整個斷口面積的1/3多,只是2區(qū)纖維狀條痕變得粗糙,條痕間距略變大,兩區(qū)的界線是載荷波動形成的休止線,顯微形貌同樣為韌窩特征,其韌窩比1區(qū)略大,見圖7。(3)斷口3區(qū)約占整個斷口面積的1/2,由擴展最深的1、2區(qū)部位起始,向另一側(cè)擴展,有清晰放射棱線,呈現(xiàn)快速擴展斷裂特征,顯微形貌為解理和準解理,見圖8、圖9。(4)斷口4區(qū)位于3區(qū)擴展末端和軸另一側(cè)邊緣的1區(qū)斷口交匯處,部分區(qū)域擦傷嚴重,部分區(qū)域有外來物粘著,殘留部分斷口形貌見圖10～圖12。其顯微形貌為剪切韌窩形貌,屬最后斷裂區(qū)。從上述4個區(qū)域斷口的宏觀和微觀判斷,該斷口屬多次過載開裂,起始部位位于軸肩部位較深周向加工刀痕,未見材料冶金缺陷。
2綜合分析
由主軸斷口及裂紋分析看出,主軸斷裂屬于多次過載斷裂,起始于軸肩轉(zhuǎn)接圓角R處較深加工刀痕。轉(zhuǎn)子軸在工作過程中主要受到彎曲應(yīng)力和扭矩,即旋轉(zhuǎn)彎曲載荷。在這一載荷作用下,裂紋擴展方向總是沿著與拉伸正應(yīng)力垂直的方向。由于該主軸斷裂部位具有截面突變,該部位主應(yīng)力線偏移,形成圖13所示斷裂路徑。因此軸形成了皿狀斷口形貌,同時該次斷裂軸的斷裂1區(qū)位于整個軸的外表,最后斷裂區(qū)位于近軸表面一側(cè),這也表明軸受到了彎曲應(yīng)力,這進一步說明該次斷裂軸是在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下發(fā)生的破壞。從斷口形貌判斷,斷口1、2區(qū)平行于軸表面的撕裂韌帶狀條痕就是在周期性旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力作用下形成的,其微觀形貌雖表現(xiàn)為細小韌窩,但每個條痕對應(yīng)著一次載荷循環(huán),即出現(xiàn)最大拉伸載荷時,超過其斷裂強度,軸以撕開型斷裂方式開裂擴展一定距離,形成小韌窩,在載荷小于斷裂強度時,擴展終止;當下一個拉伸載荷到來,又向前擴展一段距離,并形成了平行于軸表面的撕裂韌帶狀條痕,因為周次較低,其斷口表現(xiàn)為細小韌窩[1]。另外,軸肩R處表面完整性不良,使得軸肩部位具有較高的應(yīng)力集中效應(yīng),促進了軸的早期斷裂。
3結(jié)語
綜上所述,該型設(shè)備主軸屬多次過載斷裂,不良表面完整性對軸早期斷裂有一定貢獻;主軸在工作過程中突然承受到異常大載荷是其過載斷裂的根本原因。
參考文獻
[1]陳慧玲.普通軸類零件失效分析[J].金屬熱處理,2007,32(7):85-87.
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