45鋼軸的疲勞斷裂分析

張 瑜，徐 勇，吳 軍，嚴(yán) 瑾，王佳怡，沈 虹

(上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

45鋼軸的疲勞斷裂分析

張 瑜，徐 勇，吳 軍，嚴(yán) 瑾，王佳怡，沈 虹

(上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

45鋼軸在臺(tái)架試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂，對(duì)失效件進(jìn)行外觀觀察、斷口宏微觀觀察，結(jié)合零件在試驗(yàn)過程中的受力狀況，判斷該軸屬扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，斷裂位于溝槽處，該部位存在應(yīng)力集中效應(yīng)，且表面未經(jīng)強(qiáng)化處理，并對(duì)軸的最大切應(yīng)力和疲勞壽命的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：軸的疲勞開裂與溝槽導(dǎo)致的應(yīng)力集中系數(shù)提高以及表面未經(jīng)強(qiáng)化有關(guān)，隨著循環(huán)載荷的作用，裂紋不斷擴(kuò)展直至斷裂。

45鋼軸；扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂；應(yīng)力集中效應(yīng)；表面強(qiáng)化處理；安全系數(shù)

0 引言

軸是支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩或彎矩的機(jī)械零件，45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼因具有較高的綜合力學(xué)性能，在軸上面的應(yīng)用較多[1]。根據(jù)軸上安裝零件類型、尺寸及其位置、零件的固定方式，載荷的性質(zhì)、方向、大小及分布情況，對(duì)軸進(jìn)行合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)非常重要。影響軸的使用壽命的因素還有熱處理方式、外圓表面的加工方法及加工精度、外圓表面的磨削加工等[2-3]。

由于軸的結(jié)構(gòu)和受力較為復(fù)雜，尺寸設(shè)計(jì)、外力過載、材料選用、熱處理方式、應(yīng)力集中等因素都會(huì)導(dǎo)致零件的失效。本研究選取一例45鋼軸的斷裂實(shí)例進(jìn)行分析，得到失效機(jī)理，并給出合理建議。

1 試驗(yàn)方法

對(duì)失效件進(jìn)行肉眼及放大鏡的宏觀觀察，采用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀形貌的觀察，并通過X射線能譜儀對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行元素定性和半定量分析。選取斷口附近的試樣進(jìn)行切割和制樣，用立體顯微鏡和金相顯微系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行金相分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 失效件的宏觀分析

該零件正常件如圖1所示。零件裝配后在臺(tái)架試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂，該軸所采用的的材料為45鋼，斷裂位置及斷面宏觀形貌如圖2所示。從圖中可以看出，斷裂面位于溝槽處，斷面垂直于軸的軸線，斷面磨損比較嚴(yán)重，斷面光滑，無明顯塑性變形，成亮灰色，具有金屬光澤，斷面心部磨損較輕，且具有漩渦狀特征，由于該零件在臺(tái)架試驗(yàn)中所受力為扭轉(zhuǎn)力，宏觀觀察符合扭轉(zhuǎn)斷裂特征[4]。

圖1 正常件Fig.1 Normal component

圖2 斷裂件Fig.2 Failure component

2.2 失效件的微觀分析

1)斷面靠近表面區(qū)域的微觀形貌。

將斷面清洗后置于掃描電鏡下觀察，裂源處低倍形貌見圖3，未見氣孔、裂紋等缺陷，但有擠后擦傷痕，并可觀察到擦平、材料堆積、破碎等形貌。

圖3 裂源處低倍形貌Fig.3 Low-magnification morphology of crack source

在部分區(qū)域可觀察到機(jī)械損傷的犁痕和氧化特征(圖4)。該區(qū)域用能譜儀分析其成分，檢測(cè)到C、O、Mn、Fe等元素，未發(fā)生氧化區(qū)域其能譜檢測(cè)結(jié)果為C、Fe等元素(表1)，由于Mn元素在鋼中主要以MnS化合物的形式存在，因此不是所有的區(qū)域都能檢測(cè)到Mn元素。氧化產(chǎn)物可能在發(fā)生斷裂后，斷面之間反復(fù)摩擦導(dǎo)致接觸面溫度升高，產(chǎn)生氧化磨損[5-7]。

圖4 犁痕和氧化區(qū)域Fig.4 Plough mark and oxidation zone表1 能譜分析結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Energy spectrum analysis results (mass fraction /%)

ItemCOMnFeOxidationzone13．4211．180．6974．71Nooxidationzone4．7395．27

斷面中間區(qū)域磨損較輕，對(duì)該位置進(jìn)行觀察，可觀察到疲勞條帶形貌，說明該區(qū)域?yàn)槠跀U(kuò)展區(qū)，見圖5。

圖5 疲勞條帶形貌Fig.5 Fatigue striation morphology

2)斷面心部區(qū)域的微觀形貌。

斷面心部區(qū)域磨損很輕微，其微觀形貌以解理形貌為主，見圖6。

2.3 金相組織分析

對(duì)試樣的斷裂位置進(jìn)行金相分析，取樣位置見圖7，表面和心部金相組織均為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體(圖8)，斷裂位置溝槽深度為0.67 mm，由于客戶對(duì)圖紙保密，不能判斷該溝槽深度是否符合設(shè)計(jì)要求(圖9)。

圖6 心部解理形貌Fig.6 Cleavage fracture at the core area

圖7 金相取樣位置圖Fig.7 Metallographic sampling position

2.4 失效件的受力分析

為了進(jìn)一步確認(rèn)該軸的失效原因，對(duì)該軸的受力進(jìn)行分析。由于該軸在使用過程中斷裂面區(qū)域受力單一，為扭轉(zhuǎn)力。斷裂件的局部三維圖及相關(guān)尺寸見圖10所示。粗端軸的直徑為35 mm，細(xì)端軸的直徑為32 mm，鍵槽長50 mm，鍵槽寬10 mm，

圖8 金相組織Fig.8 Microstructure

圖9 溝槽圖Fig.9 Groove diagram

鍵槽最深處5.5 mm。

1)計(jì)算表面剪切應(yīng)力。

圖10 零件三維圖Fig.10 3D drawing

表面剪切應(yīng)力，即最大剪切應(yīng)力[8]為

(1)

因此，細(xì)端軸的表面剪切應(yīng)力τmax=30.8 MPa，粗端軸的表面剪切應(yīng)力τmax=23.5 MPa。

2)計(jì)算溝槽處的應(yīng)力。

根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)手冊(cè)[9]，查得溝槽處應(yīng)力集中系數(shù)為1.7，因此軸的最大剪切應(yīng)力為30.8×1.7=52 MPa。

3)靜力條件下安全評(píng)估。

該軸在純扭轉(zhuǎn)的作用下，許用剪切應(yīng)力取45 MPa[10]，許用剪切應(yīng)力是由名義極限應(yīng)力，乘以安全因數(shù)而得，由于客戶未提供許用剪切應(yīng)力的數(shù)值，資料查得的許用剪切應(yīng)力取的比較保守的數(shù)值。該軸溝槽處的剪切應(yīng)力為52 MPa。

4)疲勞試驗(yàn)下的安全評(píng)估。

安全系數(shù)的計(jì)算：

其中，τa=26 MPa，τm=26 MPa，由于軸在交變循環(huán)下工作，且為脈動(dòng)循環(huán)方式，即應(yīng)力比r=0，查表[10]得τ-1=140 MPa，Kτ即應(yīng)力集中系數(shù)為1.7，ετ即尺寸因數(shù)，查表[8]為0.81，β=1，ψτ=0.05，因此計(jì)算得到的疲勞條件下的安全系數(shù)nτ為2.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 分析與討論

由于圓柱零件在扭轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)應(yīng)力為切應(yīng)力，最大切應(yīng)力位于表面，從表面到心部扭轉(zhuǎn)力逐漸降低為0，掃描電鏡觀察后發(fā)現(xiàn)靠近表面區(qū)域?yàn)槠跀嗔褏^(qū)，心部區(qū)域?yàn)檫^載斷裂區(qū)，疲勞斷裂區(qū)先于過載斷裂區(qū)發(fā)生[11]，因此裂紋是從表面開始，向心部擴(kuò)展，最終斷裂。

在整個(gè)斷裂過程中，疲勞裂紋起始的過程稱為階段Ⅰ。由于大部分零件的表面相對(duì)比較粗糙，因此疲勞裂紋一般起始于表面的夾雜或者缺陷處。如果階段Ⅰ為高循環(huán)低應(yīng)力的過程，疲勞裂紋起始形貌比較清晰，如果應(yīng)力較高則不明顯。本研究中零件的斷裂表面磨損較嚴(yán)重，因此不能觀察到階段Ⅰ的裂紋起始形貌[12]。

當(dāng)裂紋開始擴(kuò)展時(shí)，被稱為階段Ⅱ。階段Ⅱ的典型微觀形貌為疲勞條帶，本研究在斷面圓心與外表面中間的位置觀察到了疲勞條帶，因此該區(qū)域?yàn)槠诹鸭y擴(kuò)展階段，即階段Ⅱ[12]。

疲勞斷裂的最終斷裂階段稱為階段Ⅲ，階段Ⅲ為材料的過載斷裂。該階段可能觀察到韌窩或者解理形貌。本研究在斷面的心部區(qū)域觀察到了解理形貌，因此軸的心部區(qū)域?yàn)樽罱K斷裂階段，即階段Ⅲ[12]。

由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，該軸屬扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，斷裂部位位于構(gòu)件的溝槽處，溝槽提高了該部位的應(yīng)力集中系數(shù)，導(dǎo)致溝槽處的剪切應(yīng)力較高，存在安全隱患，且該軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，因此影響其使用壽命。

4 結(jié)論

1)45鋼軸失效件屬扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。

2)軸的疲勞開裂與溝槽導(dǎo)致的應(yīng)力集中系數(shù)提高以及表面未經(jīng)強(qiáng)化有關(guān)，隨著循環(huán)載荷的作用，裂紋不斷擴(kuò)展直至斷裂。

3)建議增加溝槽底部的曲率半徑，以降低應(yīng)力集中效應(yīng)對(duì)軸的影響；對(duì)軸的表面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，提高表面的強(qiáng)度。

[1] 畢艷茹,王志勃,姜亞南. 典型軸零件的綜合機(jī)械性能分析[J]. 裝備制造技術(shù),2013(11):143-144.

[2] 李輝,王佰超,張大舜,等. 扭力軸疲勞壽命影響因素分析[C]. 全國先進(jìn)制造技術(shù)高層論壇暨制造業(yè)自動(dòng)化與信息化技術(shù)研討會(huì), 2009:57-59.

[3] 劉麗玉,戴錦樓,宋偉偉,等. 發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸斷裂模式分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2015,10(4):248-252.

[4] 唐汝鈞,孟錫明,劉正義,等. 機(jī)械工程材料測(cè)試手冊(cè)物理金相卷[M]. 沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1999:806-807.

[5] Earles S W E, Tenwick N. Reply to comments on “a simplified theory for the oxidative wear of steels”[J]. Wear,1971,18(5):381-391.

[6] Tao F F. A study of oxidation phenomenon in corrosive wear[J]. ASLE Trans,1969,12(2):97-105.

[7] Quinn T F J, Sullivan J L, Rowson D M. New development in the oxidation theory of the mild wear of steels[C]. Proceedings International Conference on wear of materials, Dearborn,1979.

[8] 劉宏文. 材料力學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社,2004:80-85.

[9] 航空工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會(huì). 應(yīng)力集中系數(shù)手冊(cè)[M]. 北京:高等教育出版社,1987:91-92.

[10] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):第2卷[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:6-19.

[11] 鐘群鵬,趙子華. 斷口學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社,2006:272-273.

[12] Brooks C R, Choudhury A. Failure analysis of engineering materials[M]. McGraw-Hill Companies,2002:158-172.

Fatigue Fracture Analysis of 45 Steel Shaft

ZHANG Yu，XU Yong，WU Jun，YAN Jin，WANG Jia-yi，SHEN Hong

(ShanghaiMotorVehicleInspectionCertification&TechInnovationCenterCo.,Ltd.,Shanghai201805,China)

45 steel shaft fractured during bench test. Macro and micro observation, combined with analysis on stress condition during test, was carried out to find out the failure mode and cause. In addition, the shear stress and security coefficient during fatigue test were calculated. The results show that the failure mode of the shaft is torsional fatigue fracture. The crack area has a groove, which resulted in stress-focusing effect, and has no surface hardening treatment. These two factors are the main cause for the fracture of the shaft.

45 steel shaft; torsional fatigue fracture; stress-focusing effect; surface-strengthening treatment; security coefficient

2017年1月10日

2017年3月10日

張瑜(1986年-)，女，博士，工程師，主要從事金相分析及失效分析等方面的研究。

TH133.2

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.02.011

1673-6214(2017)02-0126-04