工程機械銷軸斷裂失效分析方法的探討

工程機械銷軸斷裂失效分析方法的探討武永福;徐春雷;翟浩【摘要】以推土機銷軸斷裂失效分析為例，介紹了如何通過觀察和分析裂紋的形貌特征去尋找引起材料斷裂的裂紋源，判斷出裂紋的擴展方向，進而推斷出導致斷裂的重要原因.【期刊名稱】《建筑機械(上半月)》【年(卷)，期】2018(000)007【總頁數(shù)】3頁(P100-102)【關(guān)鍵詞】銷軸;斷裂失效;裂紋形貌特征【作者】武永福;徐春雷;翟浩【作者單位】山推工程機械股份有限公司,山東濟寧272000;山推工程機械股份有限公司,山東濟寧272000;山推工程機械股份有限公司,山東濟寧272000【正文語種】中文【中圖分類】TG14銷軸聯(lián)接是工程機械工作或行走裝置中兩相對運動部件鉸接的主要形式，在機器工作過程中，銷軸承受較大往復循環(huán)的剪切力，在工作中容易發(fā)生斷裂失效，造成較大的經(jīng)濟損失。某推土機失效銷軸材質(zhì)為40CrMn，基體熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，銷軸通過止口以限制其軸向竄動和圓周轉(zhuǎn)動，但聯(lián)接部件繞銷軸做旋轉(zhuǎn)運動，所以銷軸表面進行了高頻淬火，硬度為HRC52~60。本文從設(shè)計、原材料、熱處理及加工方面對失效原因進行了逐一排查。1設(shè)計計算了解軸上的應(yīng)力對銷軸的失效形式十分重要。作用在軸上不同載荷可以使軸受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲，或者其中幾個力的復合作用，軸上由此產(chǎn)生不同應(yīng)力和應(yīng)力分布。本故障案例中，由于該銷軸主要鉸接推土機車架和行走架機構(gòu)，在整機工作行走過程中受到交變剪切應(yīng)力。通過有限元求解，銷軸最大應(yīng)力出現(xiàn)在變直徑過渡圓角處，即銷軸斷裂處，其最大應(yīng)力為313MPa，材料屈服強度os為650MPa,設(shè)計安全系數(shù)為2，完全滿足要求。但從有限元分析來看，斷裂圓角R2處存在應(yīng)力集中。如果在加工時，圓角過渡不圓滑，存在尖角更容易加劇應(yīng)力集中，具體見圖1[3]。2故障件分析故障件分析主要通過機械性能、化學成分、非金屬夾雜物及熱處理后的組織進行逐項檢驗排查。圖1有限元分析(1)加工工藝調(diào)研。掌握銷軸的加工工藝過程對失效分析非常必要。從原材料加工成銷軸零件，需經(jīng)過機械加工、熱處理及精加工多道工序。以該失效銷軸為例，材質(zhì)為40CrMn,直徑為郵0,要求調(diào)質(zhì)且表面淬火。其加工工序為：下料一粗車一熱處理(調(diào)質(zhì))一半精車一熱處理(感應(yīng)淬火)一磨外圓。從工序分析來看，材料、熱處理及半精加工易造成銷軸失效，是失效要因分析的重點。(2)銷軸斷口形態(tài)分析。從銷軸的斷口形貌觀察來看，斷口有明顯的3個區(qū)域，分別為裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)。從宏觀觀察來看，銷軸下側(cè)斷面較上側(cè)光滑，并在邊緣處呈現(xiàn)鋸齒狀斷口?？梢耘卸?，銷軸安裝下側(cè)鋸齒狀附近為裂紋源區(qū)；靠近下側(cè)區(qū)域呈現(xiàn)光滑陶瓷狀形貌，并能觀察到輕微的貝紋線，該區(qū)域為裂紋擴展區(qū)；靠近銷軸上側(cè)斷面呈現(xiàn)溝壑狀，為纖維狀斷口，且呈暗灰色，由此推斷出該區(qū)域為銷軸瞬間斷裂區(qū)。瞬間斷裂區(qū)面積比較大，說明該銷軸承受載荷較大（見圖2）。圖2銷軸的斷口形貌另外，從銷軸表面的顏色觀察發(fā)現(xiàn)，銷軸表面有黑褐色氧化痕跡，可以判斷出銷軸在缺油狀態(tài)下工作，且其工作溫度不低于4001。（3）斷口試樣的截取位置及方法。為了對零件的斷裂原因進行有效分析，科學合理取樣是獲得證據(jù)的關(guān)鍵之一。分析試塊最好從斷裂源附近截取，截取過程中不得損傷斷口和裂紋源。截取前對試樣進行編號并拍照，以避免截取后無法辨認。截取時，切口與斷裂源應(yīng)保持一定的距離以防止加工熱量影響斷口顯微組織和斷口形貌。另外，切取試樣如果要使用冷卻液或其它介質(zhì)時，應(yīng)確保其不會對試樣或裂紋的表面造成損傷或污染，必要時對裂紋或斷口進行保護（見圖3）。（4）原材料機械性能檢驗。機械性能試驗是判斷原材料是否合格的有效手段之一，是測定材料在一定環(huán)境條件下受力或能量作用時所表現(xiàn)出的特性試驗。測定項目主要包括屈服強度、抗拉強度、伸長率、收縮率及常溫沖擊功5個項目。在加工試樣時，必須按相關(guān)標準要求，排除加工試樣不合格因素造成原材料不合格誤判。機械性能依據(jù)GB/T228-2010、GB/T229-2007標準進行試驗。通過對本故障件檢驗來看，機械性能合格（見表1）。圖3斷口試樣的截取位置及方法表1故障件機械性能檢驗名稱屈服強度/MPa常溫沖擊功（KU2/J）標準>980>835>14>45>47試件99687117.65752抗拉強度/MPa延伸率/%收縮率/%(5)化學成分檢驗?；瘜W成分檢驗是判斷原材料是否合格的另一有效手段，化學成分分析主要鑒定金屬化學成分是否滿足相關(guān)標準要求。最常用的有發(fā)射光譜法和稱重法分析。采用發(fā)射光譜法對失效試樣進行了測試，原材料化學成分完全滿足要求(見表2)。表2故障件化學成分檢驗材質(zhì)/%CSiMnSPCrNiCuDI材料要求0.37~0.450.17~0.370.90~1.2<0.035<0.0350.9~1.2<0.3<0.380~15040CrMn0.380.251.040.0040.0271.060.090.069121.21(6)金相檢驗。金相檢驗包括表面硬度、基體硬度、硬度梯度及金相組織及晶粒度。該項目是驗證工件熱處理質(zhì)量情況的主要手段。對于金屬熱處理材料來說，硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要性能指標，表面硬度、基體硬度及硬度梯度是保證零部件能否滿足機械性能要求的必要條件之一。用硬度計測量故障件表面硬度，其結(jié)果為HRC52~55，基體硬度為HB251~260,圖紙要求HB277~331。從硬度結(jié)果來看，銷軸硬度偏低。通過金相組織檢驗，其組織為回火索氏體，晶粒度為6~7級，完全合格，具體見圖4[1]。圖4故障件金相組織檢驗(7)斷口微觀形貌的檢驗。斷口中包含了斷裂全過程的許多珍貴信息，所以研究斷裂時，對斷口的細致觀察和研究十分必要。通過斷口分析，可以研究斷裂的一些基本問題，如斷裂的起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機制及斷裂過程的應(yīng)力狀態(tài)。斷口的微觀觀察用金相顯微鏡或電子顯微鏡進行高放大倍率的觀察。通過微觀觀察可以進一步核實宏觀觀察得到的信息，確定斷裂的性質(zhì)、斷裂源位置、裂紋走向及擴展速度。在此，對故障件的試塊通過電子顯微鏡2000倍的放大，對斷裂面形貌特征進行了掃描觀察，故障件形貌呈韌窩、空坑及疊波等花樣，是一種典型的韌性斷裂，見圖5［2］。圖5斷面電子顯微組織(8)斷裂處圓角加工質(zhì)量的檢查。銷軸變徑過渡圓角的加工質(zhì)量及粗糙度直接影響圓角處是否存在應(yīng)力集中。該故障件圓角半徑為1mm，在高倍顯微鏡下觀察到R1圓弧不連續(xù)，且存在肉眼可見的明顯加工刀紋，這就加大了圓角處的應(yīng)力集中，降低了軸的疲勞強度(見圖6)。圖6故障件過渡圓角情況3結(jié)論及建議從斷裂面的形貌特征和各項檢驗來看，銷軸斷裂主要因為應(yīng)力集中導致的強度不足所致，具體表現(xiàn)為：機器工況為水泥推平，水泥中存在大量石子，在高速倒退時對銷軸的沖擊較大；由于銷軸與襯套潤滑不良，導致襯套磨損嚴重，其間隙增大，加劇對銷軸的沖擊；銷軸主要承受整機重量，斷裂處R1圓角偏小且粗糙度較低，易造成應(yīng)力集中，在沖擊力的作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋延伸至1/3截面后，產(chǎn)生塑性斷裂；由于銷軸熱處理后的基體硬度偏低，機器在工作過程中，銷軸與襯套處于滑動工裝狀態(tài)，由于其潤滑不良造成銷軸在滑動工作中產(chǎn)生大量摩擦熱，導致銷軸進—步回火，使其硬度降低，加速了銷軸的斷裂失效。因此，可適當提高銷軸的調(diào)質(zhì)硬度，變徑過渡圓角由R1增大至R3，并保證圓角R3圓滑過