工程機(jī)械銷軸斷裂失效分析方法的探討

武永福，徐春雷，翟 浩

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

銷軸聯(lián)接是工程機(jī)械工作或行走裝置中兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件鉸接的主要形式，在機(jī)器工作過(guò)程中，銷軸承受較大往復(fù)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(jì)損失。

某推土機(jī)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(guò)止口以限制其軸向竄動(dòng)和圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，但聯(lián)接部件繞銷軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以銷軸表面進(jìn)行了高頻淬火，硬度為HRC52～60。

本文從設(shè)計(jì)、原材料、熱處理及加工方面對(duì)失效原因進(jìn)行了逐一排查。

1 設(shè)計(jì)計(jì)算

了解軸上的應(yīng)力對(duì)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(gè)力的復(fù)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(jī)車架和行走架機(jī)構(gòu)，在整機(jī)工作行走過(guò)程中受到交變剪切應(yīng)力。通過(guò)有限元求解，銷軸最大應(yīng)力出現(xiàn)在變直徑過(guò)渡圓角處，即銷軸斷裂處，其最大應(yīng)力為313MPa，材料屈服強(qiáng)度σs為650MPa，設(shè)計(jì)安全系數(shù)為2，完全滿足要求。但從有限元分析來(lái)看，斷裂圓角R2處存在應(yīng)力集中。如果在加工時(shí)，圓角過(guò)渡不圓滑，存在尖角更容易加劇應(yīng)力集中，具體見(jiàn)圖1［3］。

2 故障件分析

故障件分析主要通過(guò)機(jī)械性能、化學(xué)成分、非金屬夾雜物及熱處理后的組織進(jìn)行逐項(xiàng)檢驗(yàn)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(guò)程對(duì)失效分析非常必要。從原材料加工成銷軸零件，需經(jīng)過(guò)機(jī)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φ90，要求調(diào)質(zhì)且表面淬火。其加工工序?yàn)椋合铝稀周嚒獰崽幚恚ㄕ{(diào)質(zhì)）—半精車—熱處理（感應(yīng)淬火）—磨外圓。從工序分析來(lái)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(diǎn)。

（2）銷軸斷口形態(tài)分析。

從銷軸的斷口形貌觀察來(lái)看，斷口有明顯的3個(gè)區(qū)域，分別為裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)。從宏觀觀察來(lái)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。可以判定，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?yàn)榱鸭y擴(kuò)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?yàn)殇N軸瞬間斷裂區(qū)。瞬間斷裂區(qū)面積比較大，說(shuō)明該銷軸承受載荷較大（見(jiàn)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400℃。

（3）斷口試樣的截取位置及方法。

為了對(duì)零件的斷裂原因進(jìn)行有效分析，科學(xué)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(guò)程中不得損傷斷口和裂紋源。截取前對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)并拍照，以避免截取后無(wú)法辨認(rèn)。截取時(shí)，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(shí)，應(yīng)確保其不會(huì)對(duì)試樣或裂紋的表面造成損傷或污染，必要時(shí)對(duì)裂紋或斷口進(jìn)行保護(hù)（見(jiàn)圖3）。

（4）原材料機(jī)械性能檢驗(yàn)。

機(jī)械性能試驗(yàn)是判斷原材料是否合格的有效手段之一，是測(cè)定材料在一定環(huán)境條件下受力或能量作用時(shí)所表現(xiàn)出的特性試驗(yàn)。測(cè)定項(xiàng)目主要包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、收縮率及常溫沖擊功5個(gè)項(xiàng)目。在加工試樣時(shí)，必須按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，排除加工試樣不合格因素造成原材料不合格誤判。機(jī)械性能依據(jù)GB/T 228-2010、GB/T 229-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)本故障件檢驗(yàn)來(lái)看，機(jī)械性能合格（見(jiàn)表1）。

圖3 斷口試樣的截取位置及方法

表1 故障件機(jī)械性能檢驗(yàn)

（5）化學(xué)成分檢驗(yàn)。

化學(xué)成分檢驗(yàn)是判斷原材料是否合格的另一有效手段，化學(xué)成分分析主要鑒定金屬化學(xué)成分是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)失效試樣進(jìn)行了測(cè)試，原材料化學(xué)成分完全滿足要求（見(jiàn)表2）。

表2 故障件化學(xué)成分檢驗(yàn)

（6）金相檢驗(yàn)。

金相檢驗(yàn)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(xiàng)目是驗(yàn)證工件熱處理質(zhì)量情況的主要手段。對(duì)于金屬熱處理材料來(lái)說(shuō)，硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，表面硬度、基體硬度及硬度梯度是保證零部件能否滿足機(jī)械性能要求的必要條件之一。

用硬度計(jì)測(cè)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(lái)看，銷軸硬度偏低。通過(guò)金相組織檢驗(yàn)，其組織為回火索氏體，晶粒度為6～7級(jí)，完全合格，具體見(jiàn)圖4［1］。

圖4 故障件金相組織檢驗(yàn)

（7）斷口微觀形貌的檢驗(yàn)。

斷口中包含了斷裂全過(guò)程的許多珍貴信息，所以研究斷裂時(shí)，對(duì)斷口的細(xì)致觀察和研究十分必要。通過(guò)斷口分析，可以研究斷裂的一些基本問(wèn)題，如斷裂的起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機(jī)制及斷裂過(guò)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(jìn)行高放大倍率的觀察。通過(guò)微觀觀察可以進(jìn)一步核實(shí)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(kuò)展速度。在此，對(duì)故障件的試塊通過(guò)電子顯微鏡2000倍的放大，對(duì)斷裂面形貌特征進(jìn)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(qiáng)度（見(jiàn)圖6）。

圖6 故障件過(guò)渡圓角情況

3 結(jié)論及建議

從斷裂面的形貌特征和各項(xiàng)檢驗(yàn)來(lái)看，銷軸斷裂主要因?yàn)閼?yīng)力集中導(dǎo)致的強(qiáng)度不足所致，具體表現(xiàn)為：

（1）機(jī)器工況為水泥推平，水泥中存在大量石子，在高速倒退時(shí)對(duì)銷軸的沖擊較大；

（2）由于銷軸與襯套潤(rùn)滑不良，導(dǎo)致襯套磨損嚴(yán)重，其間隙增大，加劇對(duì)銷軸的沖擊；

（3）銷軸主要承受整機(jī)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；

（4）由于銷軸熱處理后的基體硬度偏低，機(jī)器在工作過(guò)程中，銷軸與襯套處于滑動(dòng)工裝狀態(tài)，由于其潤(rùn)滑不良造成銷軸在滑動(dòng)工作中產(chǎn)生大量摩擦熱，導(dǎo)致銷軸進(jìn)一步回火，使其硬度降低，加速了銷軸的斷裂失效。

因此，可適當(dāng)提高銷軸的調(diào)質(zhì)硬度，變徑過(guò)渡圓角由R1增大至R3，并保證圓角R3圓滑過(guò)渡。另外，機(jī)器工作過(guò)程中確保銷軸潤(rùn)滑良好。

［1］ 黃振東. 鋼鐵金相圖譜［M］. 北京：中國(guó)科技文化出版社，2005.

［2］ 劉正義，吳連生，許麟康，等. 機(jī)械裝備失效分析圖譜［M］. 廣東科技出版社，1990.

［3］ 成凱，黃奎英，楊永海，等. 推土機(jī)平衡梁和車架縱梁的工作應(yīng)力測(cè)定與分析［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1997.