机电设备主轴断裂断口分析

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摘要:该文针对某转动设备主轴的断裂问题,通过宏观断口分析、微观断口分析、痕迹分析等手段,发现其宏观断口按特征分为4个区域,呈现皿状特征,呈现韧性、脆性断裂特征,与之对应的微观断口呈现韧窝、解理与准解理等特征。结合痕迹分析最终推断,多次过载和不良表面完整性是导致主轴断裂的主要原因。

关键词:宏观断口;微观断口;SEM

某型机电动设备在石化、冶金等众多领域具有广泛的用途,其中一台在使用约2年后发生主轴断裂,断裂部位直径约80mm,材料牌号35CrMo,经调质处理,工作温度接近室温。该文通过主轴宏观及微观断口分析、确定主轴断裂模式,分析断裂的原因。

1试验结果与分析

1.1宏观分析

断裂主轴如图1所示,为阶梯轴,其弯曲明显,在断口相邻的第2个轴肩转接R受弯拉伸一侧可见到沿周向长约50mm的裂缝,断口附近轴表面及第2轴肩裂纹处约3mm范围均可见较深加工刀痕,而轴的其余表面状态相对较好,未见较深刀痕,见图3。该文将针对第3轴肩的断口进行深入分析。

1.2宏观断口分析

宏观观察断口沿轴肩R处断裂,呈皿状断口特征,周边有轻微塑性变形,断口全貌见图2。断口分为几个不同区域。1区:其断口为暗灰色,相对平坦,有细腻的韧性纤维状断裂特征,其起始的轴肩表面较粗糙,有较深周向加工刀痕。2区:位于1区更深入轴心的区域,断口为暗灰色,较粗糙,可见与轴圆周平行的条痕,形似纤维状韧性断裂特征。3区:位于轴心略偏向一侧位置,断口呈银灰色,有清晰放射棱线,很粗糙,可见闪光小刻面,呈现脆性快速断裂特征。4区:位于轴断面近表面,断口暗灰色,局部有外来金属污染粘着和断口碰撞损伤痕迹,残留部分断口较细腻,呈现纤维状剪切断裂特征。这4个分区有清晰分界,肉眼可清晰分辨。

1.3微观断口分析

利用Quanta400扫描电镜对这4个分区的断口显微形貌进行了微观形貌观察(SEM)。(1)断口1区显微形貌见图3、图4,在主轴断口一周存在1区断口,断口起始于一周轴肩表面,为纤维状断口特征,可见较细腻的平行于轴圆周的条痕,微观无明显扩展棱线,为细小韧窝,这些区域还可见到平行于轴圆周的韧带。观察断口附近表面,有较深加工刀痕,刀痕底部可见到沿周向分布的多条微裂纹,而轴其他表面状态相对较好,仅有浅的加工刀痕,见图5、图6。(2)断口2区与1区形貌相似,两区占到整个断口面积的1/3多,只是2区纤维状条痕变得粗糙,条痕间距略变大,两区的界线是载荷波动形成的休止线,显微形貌同样为韧窝特征,其韧窝比1区略大,见图7。(3)断口3区约占整个断口面积的1/2,由扩展最深的1、2区部位起始,向另一侧扩展,有清晰放射棱线,呈现快速扩展断裂特征,显微形貌为解理和准解理,见图8、图9。(4)断口4区位于3区扩展末端和轴另一侧边缘的1区断汇处,部分区域擦伤严重,部分区域有外来物粘着,残留部分断口形貌见图10～图12。其显微形貌为剪切韧窝形貌,属最后断裂区。从上述4个区域断口的宏观和微观判断,该断口属多次过载开裂,起始部位位于轴肩部位较深周向加工刀痕,未见材料冶金缺陷。

2综合分析

由主轴断口及裂纹分析看出,主轴断裂属于多次过载断裂,起始于轴肩转接圆角R处较深加工刀痕。转子轴在工作过程中主要受到弯曲应力和扭矩,即旋转弯曲载荷。在这一载荷作用下,裂纹扩展方向总是沿着与拉伸正应力垂直的方向。由于该主轴断裂部位具有截面突变,该部位主应力线偏移,形成图13所示断裂路径。因此轴形成了皿状断口形貌,同时该次断裂轴的断裂1区位于整个轴的外表,最后断裂区位于近轴表面一侧,这也表明轴受到了弯曲应力,这进一步说明该次断裂轴是在旋转弯曲载荷作用下发生的破坏。从断口形貌判断,断口1、2区平行于轴表面的撕裂韧带状条痕就是在周期性旋转弯曲应力作用下形成的,其微观形貌虽表现为细小韧窝,但每个条痕对应着一次载荷循环,即出现最大拉伸载荷时,超过其断裂强度,轴以撕开型断裂方式开裂扩展一定距离,形成小韧窝,在载荷小于断裂强度时,扩展终止;当下一个拉伸载荷到来,又向前扩展一段距离,并形成了平行于轴表面的撕裂韧带状条痕,因为周次较低,其断口表现为细小韧窝[1]。另外,轴肩R处表面完整性不良,使得轴肩部位具有较高的应力集中效应,促进了轴的早期断裂。

3结语

综上所述,该型设备主轴属多次过载断裂,不良表面完整性对轴早期断裂有一定贡献;主轴在工作过程中突然承受到异常大载荷是其过载断裂的根本原因。

作者:卜莹 冯倩 单位:中航工业西安航空计算技术研究所

参考文献

[1]陈慧玲.普通轴类零件失效分析[J].金属热处理,2007,32(7):85-87.