45鋼滾杠軸斷裂失效分析

陳化寧

（通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司，上海 200000）

0 引言

斷裂失效是機(jī)械裝備失效中最主要也是最常見的失效形式，隨著檢驗(yàn)分析手段和分析儀器的不斷進(jìn)步和提高，探究失效原因從根本上解決失效問題是防止和解決生產(chǎn)事故最直接、經(jīng)濟(jì)和行之有效的方法。零部件發(fā)生失效的影響因素主要有機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、材質(zhì)化學(xué)成分、熱處理、顯微組織、加工成型工藝和運(yùn)行環(huán)境等，以這些影響因素為出發(fā)點(diǎn)，常規(guī)金屬零部件斷裂失效分析時，我們主要從斷口分析、成分分析、力學(xué)性能、無損探傷和斷裂模擬這幾個方面進(jìn)行逐步診斷、層層剖析得出失效原因。本文通過斷口分析結(jié)合成分和力學(xué)性能檢驗(yàn)對該零件軸斷裂失效的原因進(jìn)行剖析并給出改進(jìn)建議，同時對斷裂失效分析的思路和分析技術(shù)進(jìn)行說明和闡述。

背景介紹：某公司機(jī)械設(shè)備物料傳輸線上的滾杠軸（型號：JQJ-ZJ），設(shè)計壽命為5 a，在使用6個月后發(fā)生斷裂，該軸為傳輸滾杠的動力轉(zhuǎn)軸，材質(zhì)為45號碳素結(jié)構(gòu)鋼,調(diào)質(zhì)后的45鋼具有高強(qiáng)度、高韌性，被廣泛應(yīng)用在各軸類零件上。該軸斷裂發(fā)生在軸環(huán)右臺階面處（圖1箭頭A位置），軸環(huán)左側(cè)安裝軸承，右側(cè)安裝同步帶輪，伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min。滾杠軸在工作過程中受到扭轉(zhuǎn)疲勞剪切應(yīng)力和反復(fù)加速和減速循環(huán)載荷，運(yùn)行環(huán)境中存在大量木屑粉塵。滾杠軸加工成型工藝流程為：毛坯料粗車→調(diào)制處理（28～32 HRC）→精車→粗磨→銑鍵槽→精磨。

圖1 滾杠軸

1 失效分析

1.1 宏觀檢查

斷口分析是斷裂失效分析中最重要的環(huán)節(jié)，包括宏觀檢查和微觀分析。失效斷口記錄著裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和最后斷裂的全過程[1]，掌握斷口信息后能及時地了解失效零件在運(yùn)行過程中受到的載荷變化及運(yùn)行環(huán)境。通過對斷口的主要形貌、顏色、主應(yīng)力方向及變形情況進(jìn)行宏觀檢查，獲得斷口的初步信息，基本了解零件的斷裂形式。

對軸的斷口進(jìn)行清洗后，分別對斷口A面和B面進(jìn)行宏觀檢查可以發(fā)現(xiàn)，斷裂面基本平整，無明顯塑性變形，斷口中存在嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，磨損使得斷面發(fā)亮，其原因?yàn)閿嗔押筝S繼續(xù)運(yùn)行互相摩擦所致。在低倍顯微鏡下觀察A斷面沿軸的斷裂圓周表面上分布有多處裂紋源，斷口中存在清晰可見的放射棱，該區(qū)域?yàn)榱鸭y快速擴(kuò)展區(qū)，B斷面近軸心部分為瞬斷區(qū)，斷面為粗糙的平斷口，斷口其他部分已發(fā)生磨損破壞。斷口為典型的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂斷口，斷面中存在沿圓周分布的多個疲勞源區(qū)，疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)[2]。從裂紋擴(kuò)展趨勢可以判斷失效裂紋發(fā)生在圓周柱軸表面然后向軸心擴(kuò)展，最后在軸心附件發(fā)生瞬斷。

1.2 斷口微觀分析

斷口微觀分析包括微觀形貌分析和微區(qū)成分分析，主要分析斷口的形貌特征、裂紋分布和擴(kuò)展、斷口與晶粒、晶界、雜質(zhì)及顯微組織之間的關(guān)系等，斷口微觀形貌分析對斷裂機(jī)理的分析和研究具有重要意義。

通過掃描電鏡（SEM）對失效軸的A面斷口微觀形貌進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，軸的邊緣斷口中有明顯的加工刀痕，部分地方存在加工損傷，如圖5、圖6所示。材質(zhì)中夾雜有大量顆粒物，近軸邊緣部位顆粒物分布更為密集。結(jié)合能譜對顆粒物進(jìn)行微區(qū)成分分析，得出斷口中的雜質(zhì)為碳化物顆粒，圓周面及內(nèi)部夾雜的顆粒物在循環(huán)載荷的作用下可大幅降低零件的使用壽命。在循環(huán)載荷的作用下裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)“波浪形”疲勞條帶[5]為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌特征。斷口中存解理斷口的特征和沿晶二次裂紋（如圖9、圖10），表明材料晶間結(jié)合強(qiáng)度較弱，脆性大、韌性低。

圖2 A面宏觀斷口

圖3 B面宏觀斷口

圖4 A面斷面局部形貌

圖5 斷口邊緣區(qū)域形貌（×100）

圖6 斷口邊緣區(qū)域形貌（×500）

圖7 斷口邊緣區(qū)域形貌（×100）

圖8 斷口擴(kuò)展區(qū)形貌（×500）

圖9 局部斷口形貌（×368）

圖10 局部斷口形貌（×2000）

1.3 化學(xué)成分分析

圖11 黑色顆粒能譜圖

從斷裂軸上取樣按照GB/T 4336-2016[3]《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》進(jìn)行材料化學(xué)成分檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示，材質(zhì)化學(xué)成分符合GB/T 699-2015[4]《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》45鋼的牌號要求。

表1 化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.4 力學(xué)性能分析

零件的力學(xué)強(qiáng)度是驗(yàn)證其是否符合設(shè)計要求的重要指標(biāo)，常規(guī)的力學(xué)性能檢驗(yàn)項(xiàng)目主要為拉伸特性和硬度測試。表2的測試結(jié)果表明該軸拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷裂伸長率均符合圖樣技術(shù)要求，對零件軸不同位置分別取點(diǎn)測硬度值，結(jié)果如表3所示，邊緣和心部硬度均不符合圖樣要求的調(diào)質(zhì)28～32 HRC，且軸的硬度值由邊緣區(qū)域到中心存在較大梯度。

表2 力學(xué)性能測試結(jié)果

表3 硬度測試結(jié)果 HRC

圖12 硬度測試點(diǎn)分布

1.5 金相組織

失效軸的橫截面經(jīng)過拋光、打磨、腐蝕后，分別對軸心和軸邊緣部分的金相組織進(jìn)行分析，通過金相照片可以發(fā)現(xiàn)近邊緣位置為調(diào)質(zhì)處理后的細(xì)小晶粒，顯微組織為回火索氏體，材料基體中存在較多的顆粒夾雜物，軸的圓周面出現(xiàn)腐蝕痕跡；近軸心部位金相組織為沿晶界呈網(wǎng)狀分布的鐵素體和粗大顆粒狀珠光體[5]，晶粒度不均勻，存在大顆粒夾雜物。

圖13 邊緣位置金相組織

圖14 近軸心位置金相組織

2 綜合分析

1）結(jié)合失效軸的安裝、運(yùn)行工況和斷口的宏觀檢查微觀分析，我們認(rèn)為該旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂失效的力學(xué)行為應(yīng)該為：滾杠軸在運(yùn)行過程中處受到伺服電機(jī)帶輪施加的循環(huán)加減速載荷和旋轉(zhuǎn)疲勞彎曲應(yīng)力，軸的表面缺陷和夾雜處在循環(huán)載荷作用下容易快速形成微裂紋，疲勞裂紋源從表面向軸心擴(kuò)展，在近軸心位置發(fā)生斷裂。

2）雖然失效軸的化學(xué)成分測試結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但從金相分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)其本身組織結(jié)構(gòu)質(zhì)量不是很高，材質(zhì)中存在的大量不規(guī)則碳化物顆粒將破壞材料的組織均勻性，從而極大地影響材料的強(qiáng)度、韌性和疲勞特性。夾雜顆粒物的存在使得零件表面容易發(fā)生應(yīng)力集中和環(huán)境應(yīng)力腐蝕形成潛在裂紋源，內(nèi)部以機(jī)械混合形式存在的夾雜顆粒處存在應(yīng)力集中，在循環(huán)應(yīng)力的作用下將加速裂紋的擴(kuò)展，同時內(nèi)部顆粒夾雜也有可能形成疲勞源。夾雜顆粒物的存在是導(dǎo)致滾杠軸失效、提前發(fā)生疲勞斷裂的重要原因。

3）熱處理工藝欠佳，金相組織不理想，中心部位珠光體晶粒尺寸粗大，晶粒度不均勻，對零件的疲勞性能產(chǎn)生不利影響，軸邊緣和心部的硬度值均較低，說明材料的力學(xué)強(qiáng)度和疲勞極限強(qiáng)度也較低。

4）軸環(huán)倒角處存在的加工缺陷是疲勞斷裂的裂紋源之一，這種細(xì)小的瑕疵和缺陷在較高循環(huán)應(yīng)力的作用下會嚴(yán)重影響零件的疲勞強(qiáng)度，使得零件存在極大的失效風(fēng)險。良好的表面質(zhì)量能夠有效地預(yù)防環(huán)境腐蝕，提高加工精度、減少加工過程中產(chǎn)生的瑕疵和損傷對降低疲勞斷裂失效具有良好成效。

3 結(jié)論

綜上分析得出，導(dǎo)致零件軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂斷裂的主要原因?yàn)椋翰馁|(zhì)中顆粒夾雜物的存在嚴(yán)重影響了軸的疲勞極限強(qiáng)度。軸的倒角處承受較大的高頻交變應(yīng)力，容易在表面夾雜顆粒和加工缺陷處形成微裂紋[6]，同時表面顆粒夾雜容易引發(fā)環(huán)境應(yīng)力腐蝕，形成裂紋源；內(nèi)部夾雜顆粒的存在也將加速疲勞裂紋的擴(kuò)展。材料的熱處理工藝欠佳，使得軸在交變載荷的作用下，力學(xué)性能不能滿足設(shè)計要求；倒角處的機(jī)加工精度不夠，存在加工損傷，這些表面缺陷形成了疲勞斷裂的多個裂紋源。

結(jié)合上述情況給出以下建議：1）注重原材料選材，應(yīng)對使用的原材料化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織分階段進(jìn)行全面的檢測，對下線的零件增加抽檢頻次；2）優(yōu)化熱處理工藝，調(diào)整淬火冷卻速度和回火溫度，適當(dāng)增加零件的淬透深度，細(xì)化心部晶粒尺寸，提高材料的力學(xué)性能；3）提高加工精度和加工質(zhì)量，減少倒角處的加工損傷；4）盡量使設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，避免出現(xiàn)較大的異常振蕩，減少振蕩型沖擊載荷。