1、轴类零件失效分析赵岩机械科学与工程学院摘 要：对工程中普通轴类零件的断裂失效机理和原因进行了分析，阐述了轴弯曲和扭转断裂的特征、裂纹萌生部位及扩展方向。为设计、选材、冶金质量和工艺研究提出解决问题的方向。关键词：轴 失效 应力 断裂一 前言轴一般是作为传递力的构件，通常它承受弯曲载荷、扭转载荷或弯扭复合载荷,在一些机构中轴也承受拉压载荷。轴在工作过程中可以因疲劳、弯曲、扭转或拉伸应力而断裂，但疲劳断裂是轴的普遍断裂形式。轴上附着装配其它零件的位置往往是危险的部位，破坏可能由此产生。二 轴的弯曲断裂轴弯曲断裂不论是由简单过载荷引起的，还是由疲劳载荷而引起的，都有着相同的应力取向。弯曲应力引起的断
2、裂有3个明显的特征 1 ： 最大施加应力位于轴的表面；断裂的裂纹垂直于拉伸应力，而拉伸应力出现在弯曲的一边；断裂源一般出现于轴的表面上，有时也出现于亚表面处。显示柱状轴和阶梯轴在单向弯曲过载荷中裂纹是怎样取向的。应力峰台阶或刀痕起着限定弯曲裂纹位置的作用。因为在应力峰处应力最高，裂纹往往在此萌生。无旋转的反复弯曲疲劳的轴，裂纹在轴的两个对边产生，因为每一边都经受交替拉伸和压缩应力，它们所受的力，其状态是均等的。旋转弯曲疲劳中，裂纹萌生于围绕圆周的任一位置。在较高应力或较高应力集中下，裂纹可能在周围多个位置上萌生。例如 2 ，有一减顶泵，泵轴材料为3Cr13马氏体不锈钢，在工作过程中承受着一个交
3、变的旋转弯曲载荷作用，在泵轴键槽底部的蚀坑处发生断裂。断口明显地分为三个区：裂纹起始区、扩展区及瞬时静断区。图4为断口三区示意图，扩展区有河流状花样，没有明显的塑性变形迹象，属于脆性断裂。所以失效泵轴的断裂，是在交变载荷的作用下，在泵轴键槽底部表面的蚀坑处，产生了严重的缺口效应，形成很高的局部应力集中，而引起的疲劳断裂。三 轴的扭转断裂可能引起扭转破坏的轴包括曲轴、扭转棒的扭转轴。键轴或花键轴以及在柱面上具有孔洞的轴，在过载荷时也可以造成扭转破坏。1 扭转载荷的特征一根轴或其它柱状构件，在纯扭转负荷下的应力系有五个重要的特征 3 ： 有两个方位的平面形成最大剪切应力。一个平面垂直于轴线，另一个
4、平面平行于轴线。有两个方位的平面出现最大正应力。这两个平面都位于与轴线呈45角上，两者相互垂直。最大拉应力作用在一组平面上，而最大压应力作用在另一组平面上。所有最大应力（剪应力、拉压应力）的数值彼此相等。所有主应力在轴的表面上为最大值，而在轴心为零。在最大剪切面上无正应力作用，相反，在最大主应力平面上无剪应力作用。扭转轴上的扭转裂纹可以顺着横剪切平面或纵剪切平面，也可以顺着最大拉应力的对斜面，或者这些平面的综合情况。图5表示轴扭转时的应力分布和裂纹可能产生的位置。由简单扭转过载荷引起的裂纹是在剪切方向上生长，还是在垂直于拉伸方向上生长，主要取决于材料的性能。在塑性材料中，断裂将沿着主横剪切面上
5、出现，也可能沿着纵向剪切面上发展。纵向剪切断裂通常是在锻、轧、拉、挤使轴的组织具有沿纵向方向性时出现。在脆性材料中，裂纹出现在垂直于主拉伸应力，并与轴线成45角的螺旋面上，就象扭断一根粉笔所出现的断口一样。表1表示扭转断裂的断口类型和特征。正断型断裂面取向垂直于最大正应力，切断型断裂面取向与最大切应力方向一致而与最大正应力方向约成45。正断可能是脆性的，也可能是延性的，而切断一般总是延性的 4 。2 扭转疲劳扭转疲劳破坏起始于剪切，不是横向剪切应力创始裂纹，就是纵向剪切应力创始裂纹，然后由于拉伸应力而延伸。但是，以纵向类型更为普遍，因为纵向虚线为扭转应力反转时可能呈现的另一种裂纹力峰（例如非金
6、属夹杂物或伤痕、键槽等)比横向应力峰更占优势。当有横向刀痕或其它横向缺口起着应力峰作用，裂纹便始于横向剪切。扭转疲劳断口通常有“台阶式”，“星形”和“剥皮”3种。一般出现台阶式(拉剪混合)，高应力集中时可出现星形(正断)，个别情况可能出现特殊的剥皮状 4 。台阶式断口是一种正断剪切的混合型扭转疲劳断口，破断时始于纵向剪切平面，接着裂纹与起源点呈45角方向扩展，然后再一次在剪切面上向纵向发展，最后导致断裂。如果在轴上开有轴向缺口，例如：键槽和花键轴，则键槽的纵向沟槽和花键轴的多重沟槽的尖角处往往产生应力集中，其应力分布如图7所示。裂纹将在尖角处产生，并沿与最大拉伸正应力相垂直的方向扩展。特别是花
7、键轴，可能在各个尖角处都形成疲劳核心，这时它们各自沿着与正应力相垂直的方向扩展，并在轴的中心汇合，形成星形断面 5 。在键槽轴中，当裂纹起源于键槽底角，或近键槽边缘，并平行于表面剪切扩展，则形成剥皮式断裂。有时裂纹扩展方向恒定，裂纹完全环绕于轴的表面以下生长，最终到达产生裂纹的近键槽处，于是表面完全被剥离，形成剥壳状或管状脱落 6 。例如 7 ，某发电机上的轴与柴油机联轴器连接,在运行了167 h后，轴与联轴器连接的轴伸处的键槽发生开裂 5 ，该轴在运转过程中，于键槽应力集中部位萌生多个裂纹源，同时轴受扭转等复合应力的作用，使得多源的裂纹同时快速扩展，最终导致多源扭转疲劳断裂。四 机械零件失效
8、的原因失效原因有多种，在实际生产中，零件失效很少是由于单一因素引起的，往往是几个因素综合作用的结果。归纳起来可分为设计、材料、加工和安装使用四个方面。可能的原因有如下：1.设计原因一是由于设计的结构和形状不合理导致零件失效，如零件的高应力区存在明显的应力集中源（各种尖角、缺口、过小的过渡圆角等；二是对零件的工作条件估计失误，如对工作中可能的过载估计不足，使设计的零件的承载能力不够。2材料方面的原因选材不当是材料方面导致失效的主要原因。最常见的是设计人员仅根据材料的常规性能指标来作出决定，而这些指标根本不能反映出材料所受某种类型失效的搞力；材料本身的缺陷（如缩孔、疏松、气孔、夹杂、微裂纹等）也导
9、致零件失效。3加工方面原因由于加工工艺控制不好会造成各种缺陷而引起失效。如热处理工艺控制不当导致过热、脱碳、回火不足等；锻造工艺不良带状组织、过热或过烧现象等；冷加工工艺不良造成光洁度太低，刀痕过深、磨削裂纹等都可导致零件的失效。有些零件加工不当造成的缺陷与零件设计有很大的关系，如热处理时的某些缺陷。零件外形和结构设计不合理会促使热处理缺陷的产生（如变形、开裂）。为避免或减少零件淬火时发生或开裂，设计零件时应注意：截面厚薄不均匀，否则容易在薄避处易开裂；结构对称，尽量采用封闭结构以免发生大的变形；变截面处均匀过渡，防止应力集中。4安装使用与失效零件安装时，配合过紧、过松、对中不良、固定不紧等，
10、或操作不当均可造成使用过程中失效。五、零件失效分析的方法步骤1现场调查研究这是十分关键的一步。尽量仔细收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，从而确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位。2详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计图纸、加工方式及使用情况。3对所选定的试样进行宏观和微观分析，确定失效的发源点和失效的方式。扫描电镜断口分析确定失效发源地和失效方式；金相分析，确定材料的内部质量。4测定样品的有关数据：性能测试、组织分析、化学成份分析及无损探伤等。5断裂力学分析。6最后综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出分析报告。工程材料中应用较多的是金属材料，具有强度
11、高、韧性好、疲劳抗力高等优良性能，用来制造各种重要的机器零件和工程结构件。机床零件的选材分析机床零件的品种繁多，按结构特点、功用和受载特点可分为：轴类零件、齿轮类零件、机床导轨等。1机床轴类零件的选材机床主轴是机床中最主要的轴类零件。机床类型不同，主轴的工作条件也不一样。根据主轴工作时所受载荷的大小和类型，大体上可以分为四类：（1）轻载主轴。工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，例如普通车床的主轴。这类轴一般用 45 钢制造，经调质或正火处理，在要求耐磨的部位采用高频表面淬火强化。（2）中载主轴。中等载荷，磨损较严重，有一定的冲击载荷，例如铣床主轴。一般用合金调质钢制造，如 40Cr
12、钢，经调质处理，要求耐磨部位进行表面淬火强化。（3）重载主轴。工作载荷大，磨损及冲击都较严重，例如工作载荷大的组合机床主轴。一般用 20CrMnTi 钢制造，经渗碳、淬火处理。（4）高精度主轴。有些机床主轴工作载荷并不大，但精度要求非常高，热处理后变形应极小。工作过程中磨损应极轻微，例如精密镗床的主轴。一般用38CrMoAlA 专用氮化钢制造，经调质处理后，进行氮化及尺寸稳定化处理。过去，主轴几乎全部都是用钢制造的，现在轻载和中载主轴已经可用球墨铸铁制造。2机床齿轮类零件的选材机床齿轮按工作条件壳分为三类：（1）轻载齿轮。转动速度一般都不高，大多用 45 钢制造，经正火或调质处理。（2）中载齿
13、轮。一般用 45 钢制造，正火或调质后，再进行高频表面淬火强化，以提高齿轮的承载能力及耐磨性。对大尺寸齿轮，则需用 40Cr 等合金调质钢制造。一般机床住传动系统及进给系统中的齿轮，大部分属于这一类。（3）重载齿轮。对于某些工作载荷较大，特别是运转速度高又承受较大冲击载荷的齿轮大多用 20Cr、20CrMnTi 等渗碳钢制造。经渗碳、淬火处理后使用。例如：变速箱中一些重要传动齿轮等。3机床导轨的选材机床导轨的精度对整个机床的精度有很大的影响。必须防止其变形和磨损，所以机床导轨通常都是选用灰口铸铁制造，如 HT200 和 HT350 等。灰口铸铁在润滑条件下耐磨性较好，但抗磨粒磨损能力较差。为了
14、提高耐磨性，可以对导轨表面进行淬火处理。六 结语实际金属构件的失效分析,是一件非常重要的工作，它对于确定金属构件的失效原因，并提出今后防止事故的再次产生的措施具有重要的作用。金属构件的失效分析往往并不局限于解决个别金属构件的具体问题，而且能为设计、选材、冶金质量和工艺研究提出解决问题的方向。金属构件的失效分析在技术上的综合性很强，需要运用多种技术的设备。断口分析在构件失效分析中是非常重要的，但决不是唯一的，还必须与金相、化学成分分析及力学性能的试验、计算等方面相结合，才能获得全面和正确的结论。参考文献： 1 上海交通大学. 金属断口分析编写组. 金属断口分析M . 北京:国防工业出版社, 19
15、79: 6. 2 王丽娟,等. 泵轴断裂原因分析 J . 辽宁石油化工大学学报, 2005 (3) : 42247. 3 廖景娱. 金属构件失效分析M . 北京:化学工业出版社,2003. 4 温建强. 机械零件失效分析方法和程序J. 内燃机配件 , 2008,(04) 5 王玉伏,等. 汽车变速箱轴断裂分析 J . 武汉工业大学学报, 1998 (9) : 77279. 6 李家宝. 钢铁材料的断裂研究和失效分析M . 北京:机械工业出版社, 1983. 7 王春亮,等. 电机连接轴失效分析 J . 理化检验2物理分册, 2005, 41 (11) : 5812584.作者简介：黑龙江省鹤岗市，东北石油大学机械科学与工程院，金属材料工程系。
