摘 要：某公司減速機(jī)輸入軸發(fā)生斷裂，對(duì)該斷軸進(jìn)行了宏觀分析、室溫力學(xué)性能試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、金相組織分析、掃描電鏡（SEM）和 EDS 能譜分析等一系列檢測(cè)分析。結(jié)果表明：斷軸的原因是軸表面沒(méi)有進(jìn)行有效滲碳處理，軸在交變旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的反復(fù)作用下，在應(yīng)力集中的軸變徑處發(fā)生斷裂，并對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：減速機(jī)；斷軸；失效分析
2018 年 7 月某公司型號(hào)為 H2SV10A 的減速機(jī)輸入軸發(fā)生斷裂，圖1 為減速機(jī)輸入軸的結(jié)構(gòu)。圖2 為斷裂失效輸入軸的宏觀照片。從圖 1和圖 2 可見(jiàn)，減速機(jī)輸入軸斷裂發(fā)生在準(zhǔn)∅85 mm 外圓和∅100 mm 外圓的過(guò)渡階段，斷裂位置靠近∅85 軸徑側(cè)，即圖 1 中圓圈內(nèi)標(biāo)記區(qū)域。軸的材質(zhì)為18CrNiMo7-6[1]，屬于德國(guó)牌號(hào)。本文通過(guò)輸入軸失效分析，探尋其失效原因。
圖1 減速機(jī)輸入軸結(jié)構(gòu)圖(mm)
圖2 斷裂失效輸入軸的宏觀照片
1 試驗(yàn)方法及結(jié)果
1.1 宏觀分析
圖3 減速機(jī)輸入軸斷口的宏觀形貌照片
圖3 為減速機(jī)輸入軸斷口的宏觀形貌照片。斷口表面有較明顯的貝殼狀花樣, 屬于典型的疲勞斷裂。斷口由疲勞裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)組成。其中疲勞源有 3處，分別標(biāo)示為 1、2、3 區(qū)域。仔細(xì)觀察斷口疲勞源區(qū)，1 和2 區(qū)域兩處表面較平坦，3 區(qū)域的疲勞源有剪切唇。疲勞源在距表面 2mm 范圍內(nèi)，3 個(gè)疲勞源所處的區(qū)域之間有臺(tái)階和褶皺。裂紋擴(kuò)展區(qū)貝紋線比較扁平，部分區(qū)域存在褶皺。斷口形貌為纖維狀，斷面有臺(tái)階和褶皺，表明減速機(jī)軸承受到了反復(fù)交變的旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力。斷口瞬斷區(qū)域較小，約占整個(gè)斷口面積的 1/10，說(shuō)明軸整體受力較小，屬于典型的低應(yīng)力多疲勞源型高周疲勞斷裂。
1.2 軸的室溫拉伸試驗(yàn)及沖擊性能檢測(cè)
對(duì)斷軸的力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)國(guó)標(biāo) GB/T2975-1998 《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試驗(yàn)制備》[2]選取被檢試樣位置，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第 1 部分：室溫試驗(yàn)方法》[3]，在軸的縱向采用線切割進(jìn)行拉伸試樣加工，制作標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。根據(jù) GB/T229-2007 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[4]，在軸縱向取沖擊試樣，試樣尺寸為 10mm×10mm×55mm，V 型缺口，試驗(yàn)溫度為 20℃。每種試樣分別制作 3 個(gè)， 試樣選材為∅85 mm和∅100 mm兩側(cè)的母材。表 1 為斷軸的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果，表 2 為斷軸的沖擊性能檢測(cè)結(jié)果。
表1 斷軸的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果
由表 1 看到，斷軸室溫拉伸性能符合技術(shù)要求。
表2 斷軸沖擊性能檢測(cè)結(jié)果(J)
由表 2 看到，斷軸沖擊性能檢測(cè)結(jié)果符合技術(shù)要求。
1.3 軸、截面及斷口區(qū)域顯微硬度檢測(cè)
依據(jù)國(guó)標(biāo) GB/T 4340.1-2009 《金屬維氏硬度試驗(yàn)第 1 部分：試驗(yàn)方法》[5]，對(duì) 1 和 2 區(qū)域沿徑向截取兩個(gè)條形金相試樣進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，完成軸、截面及斷口區(qū)域顯微硬度檢測(cè)，顯微硬度載荷為 200g，作用時(shí)間 12s。斷軸不同區(qū)域的顯微硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 3。根據(jù)顯微硬度檢測(cè)結(jié)果，輸入軸 1 區(qū)域的所有截面硬度及斷口區(qū)域的硬度值基本相同，為355～403HV0.2。輸入軸 2 區(qū)域的所有截面硬度及斷口區(qū)域的硬度值基本相同，為 322～375 HV0.2。由此可見(jiàn)，1區(qū)域整體硬度比 2 區(qū)域的高，驗(yàn)證了輸入軸未進(jìn)行有效的表面滲碳處理。
表3 斷軸不同區(qū)域的顯微硬度檢測(cè)結(jié)果(HV0.2)
1.4 軸及截面的宏觀洛氏硬度檢測(cè)
依據(jù)國(guó)標(biāo) GB/T230.1-2018 《金屬洛氏硬度試驗(yàn)第 1 部分：試驗(yàn)方法》[6]加工試樣，根據(jù) EN 10084-2008《滲碳鋼-交貨技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求，選取對(duì)應(yīng)的部位進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)。表 4 為斷軸宏觀洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果。由表 4 可見(jiàn)，兩側(cè)軸徑距淬火端 1.5～7.0 mm 處的宏觀洛氏硬度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，除了∅100mm 側(cè) 1.5mm 處洛氏硬度較高外，軸的其余外表面和截面硬度值大致相等，整個(gè)截面的硬度也基本一致，為 38～35HRC。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，該材質(zhì)表面要進(jìn)行滲碳處理，說(shuō)明斷軸未進(jìn)行有效的表面處理。
表4 斷軸宏觀洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果(HRC)
1.5 軸及斷口區(qū)域金相組織分析
本次試驗(yàn)研究分別在圖3 中標(biāo)注的 1 和 2 區(qū)域沿徑向截取兩個(gè)條形試樣，在拋光機(jī)上進(jìn)行磨制后，用4%硝酸酒精溶液侵蝕，在 GX71 型研究級(jí)金相顯微鏡下進(jìn)行微觀組織分析，依據(jù) DL/T 884-2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》[7]。圖4 為 1 區(qū)域外表面低倍形貌及外表面、斷口和心部的金相組織。其中，圖4（a）和（b）分別為 1 區(qū)域外表面低倍形貌和金相組織照片，外表面可見(jiàn) 1 條長(zhǎng)約 0.077mm 的裂紋，表面未見(jiàn)滲碳層，其表面金相組織為回火索氏體。圖4（c）和（d）分別為 1 區(qū)域斷口和心部的金相組織照片，其組織為回火索氏體。
圖4 1區(qū)域外表面低倍形貌與外表面、斷口和心部的金相組織
圖5 2區(qū)域外表面低倍形貌及外表面、斷口表面、心部金相組織
圖5 為 2 區(qū)域外表面低倍形貌及外表面、斷口和心部的金相組織。其中，圖 5（a）為 2 區(qū)域外表面低倍形貌，表面未見(jiàn)滲碳層；圖5（b）為 2 區(qū)域斷口的金相組織照片，其組織為回火索氏體；圖 5（c）為 2 區(qū)域心部的金相組織，其組織為回火索氏體。從金相組織分析看，軸的表面未進(jìn)行滲碳處理，組織未見(jiàn)異常。
1.6 掃描電鏡(SEM)分析
采用掃描電子顯微鏡對(duì)減速機(jī)斷軸斷面進(jìn)行分析， 分別選取 1 區(qū)域疲勞源和瞬時(shí)斷裂區(qū)兩個(gè)部位進(jìn)行掃描電鏡分析。圖 6 為 1 區(qū)域的疲勞源形貌。疲勞源為表面缺口，圖中的摩擦痕跡表明，此處可見(jiàn)由于受到反復(fù)的交變應(yīng)力導(dǎo)致的滑移痕跡，進(jìn)一步驗(yàn)證此處就是疲勞源。圖7 為疲勞擴(kuò)展區(qū)的疲勞條紋形貌。圖 8瞬時(shí)斷裂區(qū)低倍、解理及最后拉斷區(qū)韌窩形貌。圖 8（a）為瞬時(shí)斷裂區(qū)的斷口低倍形貌，圖 8（b）為瞬時(shí)斷裂區(qū)的解理斷口形貌。從掃描電鏡圖可看出， 瞬時(shí)斷裂區(qū)的大部分區(qū)域斷裂微觀形貌為解理斷裂，斷口微觀形貌呈河流花樣。瞬時(shí)斷口區(qū)域只有最后斷裂的部位呈現(xiàn)韌窩形態(tài)（圖 8（c））。由掃描電鏡的分析結(jié)果看， 斷口呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂的微觀形貌特征。
圖8 瞬時(shí)斷裂區(qū)低倍、解理及最后拉斷區(qū)韌窩形貌
1.7 能譜(EDS)分析
采用 EADX 能譜儀對(duì)減速機(jī)輸入軸斷面區(qū)域表面進(jìn)行微區(qū)半定量能譜分析。圖 9 為斷軸的疲勞源區(qū)域能譜分析。具體檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 5。由表 5 可見(jiàn)，疲勞源表面主要元素為 Fe、C和 Cr，說(shuō)明疲勞源區(qū)域未見(jiàn)明顯氧化及外部介質(zhì)的腐蝕。圖 10為斷軸瞬時(shí)斷裂區(qū)域能譜分析。具體檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 6。由表5 看到疲勞源表面主要元素為 Fe、C 和 Cr，說(shuō)明瞬時(shí)斷裂區(qū)域未見(jiàn)明顯氧化及外部介質(zhì)的腐蝕。疲勞源和瞬時(shí)斷裂區(qū)的微區(qū)能譜分析結(jié)果相近， 說(shuō)明軸的斷面區(qū)域未受到外來(lái)腐蝕介質(zhì)影響，軸斷裂與外部介質(zhì)無(wú)關(guān)。
圖9 斷軸疲勞源區(qū)域能譜分析
圖10 斷軸瞬時(shí)斷裂區(qū)域能譜分析
表5 斷軸疲勞源區(qū)域能譜分析結(jié)果
表6 斷軸瞬時(shí)斷裂區(qū)域能譜分析結(jié)果
2 分析與討論
對(duì)減速機(jī)輸入軸斷口的宏觀分析表明，軸的斷裂呈現(xiàn)低應(yīng)力多疲勞源型高周疲勞斷裂，斷裂區(qū)域位于變徑處偏∅85mm 側(cè)，該處是應(yīng)力集中區(qū)域。軸的室溫拉伸試驗(yàn)及沖擊性能檢測(cè)結(jié)果顯示，軸的強(qiáng)度和沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果均符合技術(shù)要求。軸、截面及斷口區(qū)域顯微硬度和宏觀洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果表明，軸的外表面未進(jìn)行有效滲碳處理。軸及斷口區(qū)域金相組織分析結(jié)果表明該軸是在調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)下未經(jīng)表面處理直接投入使用。斷口的掃描電鏡分析結(jié)果看，斷口的疲勞源及疲勞擴(kuò)展區(qū)得到證實(shí)，斷口呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂的微觀形貌特征。能譜分析結(jié)果顯示，軸的斷面區(qū)域未受到外來(lái)腐蝕介質(zhì)影響，軸斷裂與外部介質(zhì)無(wú)關(guān)。
軸的工作狀態(tài)要求其表面硬度較高、耐磨，心部硬度相對(duì)較低，韌性較好。通常情況，軸表面一般經(jīng)高頻或中頻滲碳處理后才使用，而失效軸的調(diào)質(zhì)使用狀態(tài)與理論要求的高頻或中頻表面處理使用狀態(tài)不相符，由于工藝上的不合理，造成軸的疲勞抗力降低。另外，軸在承受旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的作用下，由于軸的表面硬度較低，加上變徑處應(yīng)力集中，該處本身就是軸運(yùn)行中的薄弱區(qū)域，在變徑處過(guò)早的產(chǎn)生疲勞源。在軸的高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，最先開(kāi)裂的區(qū)域在交變的彎曲應(yīng)力作用下對(duì)臨近區(qū)域進(jìn)行摩擦，又在臨近區(qū)域產(chǎn)生新的疲勞源，進(jìn)而產(chǎn)生 3 個(gè)疲勞源，隨著循環(huán)載荷的作用，疲勞裂紋不斷向基體內(nèi)擴(kuò)展，致使軸的有效承載尺寸減少，最后導(dǎo)致軸的斷裂。
3 結(jié)論
某公司H2SV10A 減速機(jī)輸入斷裂機(jī)理是低應(yīng)力多疲勞源的高周疲勞斷裂。斷裂的內(nèi)因是斷裂側(cè)的軸表面沒(méi)有進(jìn)行有效滲碳處理，斷裂的外因是軸在交變旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的反復(fù)作用下，在應(yīng)力集中的軸的變徑處發(fā)生斷裂。
參考文獻(xiàn):
[1] 滲碳鋼-交貨技術(shù)條件(中文版)
[2] 鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試驗(yàn)制備
[3] 金屬材料拉伸試驗(yàn)第 1 部分：室溫試驗(yàn)方法
[4] 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法
[5] 金屬洛氏硬度試驗(yàn)第 1 部分：試驗(yàn)方法
[6] 金屬維氏硬度試驗(yàn)第 1 部分：試驗(yàn)方法
[7] 火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則
作者
國(guó)網(wǎng)陜西電力科學(xué)研究院 張李鋒
國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司 段江
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