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機電設備主軸斷裂斷口分析論文
摘要:該文針對某轉動(dòng)設備主軸的斷裂問(wèn)題,通過(guò)宏觀(guān)斷口分析、微觀(guān)斷口分析、痕跡分析等手段,發(fā)現其宏觀(guān)斷口按特征分為4個(gè)區域,呈現皿狀特征,呈現韌性、脆性斷裂特征,與之對應的微觀(guān)斷口呈現韌窩、解理與準解理等特征。結合痕跡分析最終推斷,多次過(guò)載和不良表面完整性是導致主軸斷裂的主要原因。
關(guān)鍵詞:宏觀(guān)斷口;微觀(guān)斷口;SEM
某型機電動(dòng)設備在石化、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)調質(zhì)處理,工作溫度接近室溫。該文通過(guò)主軸宏觀(guān)及微觀(guān)斷口分析、確定主軸斷裂模式,分析斷裂的原因。
1試驗結果與分析
1.1宏觀(guān)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(gè)軸肩轉接R受彎拉伸一側可見(jiàn)到沿周向長(cháng)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(jiàn)較深加工刀痕,而軸的其余表面狀態(tài)相對較好,未見(jiàn)較深刀痕,見(jiàn)圖3。該文將針對第3軸肩的斷口進(jìn)行深入分析。
1.2宏觀(guān)斷口分析
宏觀(guān)觀(guān)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(jiàn)圖2。斷口分為幾個(gè)不同區域。1區: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:位于1區更深入軸心的區域,斷口為暗灰色,較粗糙,可見(jiàn)與軸圓周平行的條痕,形似纖維狀韌性斷裂特征。3區:位于軸心略偏向一側位置,斷口呈銀灰色,有清晰放射棱線(xiàn),很粗糙,可見(jiàn)閃光小刻面,呈現脆性快速斷裂特征。4區:位于軸斷面近表面,斷口暗灰色,局部有外來(lái)金屬污染粘著(zhù)和斷口碰撞損傷痕跡,殘留部分斷口較細膩,呈現纖維狀剪切斷裂特征。這4個(gè)分區有清晰分界,肉眼可清晰分辨。
1.3微觀(guān)斷口分析
利用Quanta400掃描電鏡對這4個(gè)分區的斷口顯微形貌進(jìn)行了微觀(guān)形貌觀(guān)察(SEM)。(1)斷口1區顯微形貌見(jiàn)圖3、圖4,在主軸斷口一周存在1區斷口,斷口起始于一周軸肩表面,為纖維狀斷口特征,可見(jiàn)較細膩的平行于軸圓周的條痕,微觀(guān)無(wú)明顯擴展棱線(xiàn),為細小韌窩,這些區域還可見(jiàn)到平行于軸圓周的韌帶。觀(guān)察斷口附近表面,有較深加工刀痕,刀痕底部可見(jiàn)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(jiàn)圖5、圖6。(2)斷口2區與1區形貌相似,兩區占到整個(gè)斷口面積的1/3多,只是2區纖維狀條痕變得粗糙,條痕間距略變大,兩區的界線(xiàn)是載荷波動(dòng)形成的休止線(xiàn),顯微形貌同樣為韌窩特征,其韌窩比1區略大,見(jiàn)圖7。(3)斷口3區約占整個(gè)斷口面積的1/2,由擴展最深的1、2區部位起始,向另一側擴展,有清晰放射棱線(xiàn),呈現快速擴展斷裂特征,顯微形貌為解理和準解理,見(jiàn)圖8、圖9。(4)斷口4區位于3區擴展末端和軸另一側邊緣的1區斷口交匯處,部分區域擦傷嚴重,部分區域有外來(lái)物粘著(zhù),殘留部分斷口形貌見(jiàn)圖10～圖12。其顯微形貌為剪切韌窩形貌,屬最后斷裂區。從上述4個(gè)區域斷口的宏觀(guān)和微觀(guān)判斷,該斷口屬多次過(guò)載開(kāi)裂,起始部位位于軸肩部位較深周向加工刀痕,未見(jiàn)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(guò)載斷裂,起始于軸肩轉接圓角R處較深加工刀痕。轉子軸在工作過(guò)程中主要受到彎曲應力和扭矩,即旋轉彎曲載荷。在這一載荷作用下,裂紋擴展方向總是沿著(zhù)與拉伸正應力垂直的方向。由于該主軸斷裂部位具有截面突變,該部位主應力線(xiàn)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(shí)該次斷裂軸的斷裂1區位于整個(gè)軸的外表,最后斷裂區位于近軸表面一側,這也表明軸受到了彎曲應力,這進(jìn)一步說(shuō)明該次斷裂軸是在旋轉彎曲載荷作用下發(fā)生的破壞。從斷口形貌判斷,斷口1、2區平行于軸表面的撕裂韌帶狀條痕就是在周期性旋轉彎曲應力作用下形成的,其微觀(guān)形貌雖表現為細小韌窩,但每個(gè)條痕對應著(zhù)一次載荷循環(huán),即出現最大拉伸載荷時(shí),超過(guò)其斷裂強度,軸以撕開(kāi)型斷裂方式開(kāi)裂擴展一定距離,形成小韌窩,在載荷小于斷裂強度時(shí),擴展終止;當下一個(gè)拉伸載荷到來(lái),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力集中效應,促進(jìn)了軸的早期斷裂。
3結語(yǔ)
綜上所述,該型設備主軸屬多次過(guò)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(guò)程中突然承受到異常大載荷是其過(guò)載斷裂的根本原因。
參考文獻
[1]陳慧玲.普通軸類(lèi)零件失效分析[J].金屬熱處理,2007,32(7):85-87.
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