工程機械用傳動桿件斷裂失效探討

1、工程機械用傳動桿件斷裂失效探討 摘要：文章分析了某型號桿件在使用過程中的失效原因。該桿件的熱處理工藝合格，塑性韌性硬度較好，性能符合技術(shù)要求，由于桿件在傳動過程中受到阻礙，但動力輸入機構(gòu)沒有及時停止動作，導(dǎo)致發(fā)生過載，進一步撓曲和塑性剪切破壞。關(guān)鍵詞：傳動桿件；失效；性能；原因分析重大傳動桿件由于傳動比大，可自鎖且傳動平穩(wěn)等特點被廣泛運用于運輸、起重、礦山機械和各種機床的傳動系統(tǒng)中。其傳動失效形式與齒輪傳動類似，有齒面磨損、齒面膠合、疲勞點蝕、輪齒折斷等，一般情況下失效總是發(fā)生在桿件齒上。某公司生產(chǎn)的傳動桿件在使用過程中傳動桿件彎曲變形，傳動桿件齒被剪斷。該傳動桿件的具體生產(chǎn)工藝為：圓鋼棒材、

2、粗車、調(diào)質(zhì)、精車、滲氮，以往按此工藝生產(chǎn)的傳動桿件沒有出現(xiàn)問題，本批次連續(xù)出現(xiàn)3根傳動桿件失效，通過失效分析找出具體的原因，以利于后續(xù)改良。1宏觀分析通過觀察，傳動桿件的6個齒全部發(fā)生剪切斷裂且出現(xiàn)了彎曲的現(xiàn)象。斷齒的截面具有非常大的光亮帶，這是剪切過程造成的，類似于沖壓板材的截面。剪切從左邊開始，左側(cè)三個齒的光亮帶相對較大，右側(cè)光亮帶相對較小，右側(cè)齒的右邊緣有明顯的擠壓臺階，最右邊一個齒，發(fā)生局部剪切，齒的右側(cè)還保持完整。另外，每個齒左側(cè)面有由于剪切產(chǎn)生的裂紋。在第一個齒的側(cè)面明顯有較多裂紋，裂紋寬度較寬，而第六個齒側(cè)面的裂紋較淺，裂紋寬度較窄，這說明力的作用是從左到右的。圖1為板材沖裁的示

3、意圖，這和傳動桿件的剪切失效形式一致，圖中h0表示光亮帶的寬度，對于t4mm傳動桿件的齒寬大于4mm，h0/t的值在0.40.5表示這種材料是軟鋼。通過測量計算，從左到右其結(jié)果分別為：0.73，0.62，0.57，0.58，0.48，這說明傳動桿件材料比擬軟。此外，在傳動桿件輸入端也發(fā)生了變形開裂，但觀察不到宏觀的脆性斷裂，說明材料塑性較好。綜合上述宏觀分析，傳動桿件具有較好的塑性。2試驗分析根據(jù)傳動桿件的失效形式和狀態(tài)，采取金相檢測分析、拉伸和沖擊力學(xué)性能測試、外表滲氮層硬度測試及齒輪斷口分析等手段分析其失效過程。圖2為從傳動桿件垂直于軸向截取試樣，在500的放大倍率下對傳動桿件3個部位進行

4、金相觀察得到的金相圖。從圖2中傳動桿件不同位置組織相圖來看，傳動桿件3處位置的組織根本相同，均為調(diào)質(zhì)處理后的細小索氏體，有少量鐵素體剩余，可以得出結(jié)論，傳動桿件熱處理工藝是合理的。采用CMT5000型電子萬能試驗機進行拉伸性能測試，拉伸速度3mm/min，試樣直徑6mm。通過對斷口分析，發(fā)現(xiàn)其由中心纖維區(qū)及放射區(qū)組成，在斷口上幾乎看不到剪切唇，其放射區(qū)呈剪切脊的形式，這是裂紋起裂擴展時沿最大切應(yīng)力方向發(fā)生剪切變形引起的。由于變形約束小，裂紋鈍化，致使擴展速度較慢，棒狀試樣會在軸向出現(xiàn)輻射狀裂紋，得到的斷口像銑刀頭一樣。根據(jù)現(xiàn)有資料，這是由于高溫回火導(dǎo)致的，這種情況只有縮頸在50%左右時才會出現(xiàn)

5、，傳動桿件的抗拉強度平均值為756MPa，屈服強度為455MPa，斷后延伸率和斷面收縮率為16.3%和62.7%，整體表現(xiàn)出很好的塑性。選用擺錘式?jīng)_擊試驗機JBD-300B進行沖擊試驗，實驗溫度為室溫，沖擊試樣為標(biāo)準試樣，尺寸為55mmx10mmx10mm。該桿件的沖擊斷口中沒有放射區(qū)，只有纖維區(qū)和剪切唇，屬于塑性很好的材料。纖維區(qū)位于沖擊斷口的中央位置，外表呈粗糙的纖維狀，是裂紋最開始形成的區(qū)域。該區(qū)域塑性變形相對較大，且斷面粗糙不明，對光線的散射能力較強，使得該區(qū)域呈現(xiàn)暗灰色。材料斷裂過程的最后階段形成剪切唇，該區(qū)域外表相對光滑，并且與拉應(yīng)力大致呈45角，塑性變形量較大，是韌性斷裂區(qū)。從沖

6、擊性能來看，傳動桿件材料的韌性非常高，平均沖擊功到達163.49J，沖擊韌性為204.25J/cm2。結(jié)合斷口特征，可以得出結(jié)論，傳動桿件材料的韌性較高。1外表布氏硬度。選用HB-3000B-I型布氏硬度計，采用直徑2.5mm壓頭，載荷為750kgf，載荷保持時間15s，從垂直于軸向切去厚度1cm的片狀試樣，測量徑向從外表到心部硬度分布。結(jié)果顯示，桿件外表的布氏硬度244HBW，心部219HBW，相差僅25HBW，相差不大，故取平均值為230HBW。2氮化層顯微硬度。選用HVS-1000D型顯微硬度計，載荷分別設(shè)定為50gf、100gf，載荷保持時間15s，測量徑向從外表到心部硬度分布。結(jié)果說

7、明，對材料進行外表滲氮處理后，外表硬化效果顯著，最大硬度值位于零件的外表，數(shù)值為516HV，隨著深度的增加，顯微硬度值逐漸降低。傳動桿件滲氮層深度大約為200m，滲氮層的顯微硬度值均大于310HV。3結(jié)語結(jié)合斷口分析、金相組織分析及力學(xué)性能測試結(jié)果，從以下幾個方面來分析傳動桿件的失效原因：1從金相組織分析來看，傳動桿件的顯微組織為細小的索氏體，有少量的鐵素體，為調(diào)質(zhì)處理后的正常組織，說明其熱處理工藝合理。2從力學(xué)性能來看，傳動桿件的屈服強度和抗拉強度分別到達455MPa和756MPa，延伸率和斷面收縮率為16.3%和62.7%，室溫沖擊韌性為204.25J/cm2，傳動桿件基體的布氏硬度為230HB，氮化處理的深度大約為200m，滲氮層顯微硬度值均大于310HV。說明傳動桿件的塑性韌性及硬度較好，性能符合技術(shù)要求。3從失效分析結(jié)果來看，傳動桿件的破壞屬于塑性剪切破壞，由于在傳動過程中受到阻礙，但動力輸入機構(gòu)沒有及時停止動