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被动轴断裂分析
崔约贤
孟庆昌 王长利
梁吉臣 姚长兴
(哈尔滨工业大学150006) (哈尔滨第一机器制造厂750008)
摘
要：对断裂被动轴进行了宏、微观分析和力学性能测试。结果表明，该轴裂纹源位于油孔与轴外表面交角处
使其产生早期疲劳裂纹，加之受异常突加载荷的作用导致被动轴断裂。
主题词：被动轴；疲劳裂纹；超载断裂
1 失效情况
某产品被动轴断成四段，见图1所示。该轴动力输入端花键部分产生严重扭曲变形。图2为轴承安装时外表面挤压伤痕。送检样品中有三个破损的轴承滚子。
图1 断裂轴全貌
图2
轴承外表面挤压伤痕
图3 回火板条马氏体组织
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2 检验
2.1
化学成分分析
在断裂的被动轴上取样，经化学分析其成分(%)为:0.23C，O.35Si，0.38Mn，0.011S，1.25Cr，3.45Ni。与GB3077-82中的20Cr2Ni4A钢的化学成分相符。
2.2
显微组织分析
在光学显微镜下观察轴横截面显微组织。其表面与心部均为回火板条马氏体，见图3。
2.3力学性能测试
沿轴的径向测定其硬度，结果列于表1，表明硬度在轴径向分布较均匀，硬度值符合图纸技术要求。说明20Cr2Ni4A钢具有较好的淬透性。
轴承滚子硬度测试结果也符合标准，结果列于表2从断裂轴上截取拉伸试徉测定其强度指标，结果sb=1790MPa，ss
=1280MPa，d=10.8%，ak=5.15kg·m/cm2。
2.4
断口分析
图4为宏观断口照片，可见明显的放射状条纹，其条纹指向裂纹扩展方向，裂纹起源于油孔与轴外表面的交角处，断口上有两个裂纹源，分别位于油孔的两侧。裂纹由此两处启裂，继而沿螺旋面分别向两侧扩展，直至最后断裂成四段。快速扩展区的断口比较粗糙。
仔细观察裂纹源附近的微小区域，发现有很小的平滑区。将试样放入超声波清洗机中清洗后在扫描电镜下观察可见疲劳条纹(图5)。远离裂纹源处的断口主要以韧窝型为主(图6)。
图4 断口宏观照片(箭头处为裂纹源)
图5
裂纹源附近平滑区域中的疲劳条坟
图6 快速扩展区的韧窝型断口
3
分析与结论
该被动轴在正常运转过程中，首先在油孔和轴相交处产生应力集中，由此萌生微裂纹。在周期载荷作用下裂纹逐渐长大，达到一定尺寸后裂纹开始沿最大正应力的垂直方向扩展，形成了疲劳裂纹源。但远没有达到临界裂纹尺寸，如果仍然正常运转的话估计还有相当一段寿命。从花键轴的严重塑性扭转变形可以判断在裂纹失稳扩展之前轴承受了巨大的突加载荷。根据计算能使被动轴动力输入端花键部分产生扭转变形的最小扭矩为21000kg·m，该值为设计力矩(4744kg·m)的4.4倍。断裂前输入端花键部分发生塑性变形，说明该轴承受到异常的突加载荷。在突加载荷作用下，裂纹从油孔两则沿垂直于最大拉伸应力分量的面断裂，最后形成万轴线约成45。角的螺旋面断口。图7描述了破动轴断裂时裂纹的扩展方向及整个断裂过
程。
上述分析结果表明，超载导致被动轴断裂是轴失效的主原因。
图7
轴断裂时裂纹的扩展方向
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