DY08型鋁合金彈性聯(lián)軸器的斷裂失效分析

張 素，鄧愛(ài)林,廖春平

(1.新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)分院，新疆 烏魯木齊 830021) (2.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000) (3.成都科萊斯低溫設(shè)備有限公司,四川 成都 611230)

聯(lián)軸器是用來(lái)聯(lián)接主動(dòng)軸和從動(dòng)軸，使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件，具有較好的柔韌性和抗沖擊性，即使在高速下也能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)并能承受較大的工作量[1]。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用[2-4]。在交變載荷的作用下，聯(lián)軸器易發(fā)生斷裂、蜂窩等現(xiàn)象，其失效原因主要是設(shè)計(jì)不良、制造質(zhì)量差以及安裝不當(dāng)?shù)萚5]。為了探究聯(lián)軸器失效原因，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。Domazet等[6]對(duì)軋機(jī)聯(lián)軸器的失效進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，聯(lián)軸器由于設(shè)計(jì)不當(dāng)，在工作的過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞失效。Reboh等[7]發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器系統(tǒng)中疲勞裂紋的萌生點(diǎn)發(fā)生在焊縫處，因此對(duì)焊接過(guò)程應(yīng)有嚴(yán)格的要求。馬肇基等[8]針對(duì)通風(fēng)機(jī)彈性聯(lián)軸器在生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)是因?yàn)槁?lián)軸器設(shè)計(jì)不當(dāng)以及裝配誤差導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

本文針對(duì)某廠家生產(chǎn)的用于多功能試驗(yàn)臺(tái)的DY08型彈性聯(lián)軸器，在使用約3個(gè)月后(每天工作1 h計(jì))出現(xiàn)斷裂的情況，運(yùn)用化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、宏觀檢查、斷口形貌分析、金相組織分析等方法，分析其斷裂失效的原因。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 化學(xué)成分檢測(cè)

在失效的彈性聯(lián)軸器上截取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)滿足GB/T3190—2008的技術(shù)要求。

表1 彈性聯(lián)軸器化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 硬度檢測(cè)

硬度是重要的力學(xué)性能指標(biāo)，反映的是材料彈性和塑性變形性能。本文采用維氏硬度檢測(cè)方法檢測(cè)該斷裂件，將斷件置于顯微硬度計(jì)上，取6個(gè)點(diǎn)(部分壓痕如圖1所示)，并對(duì)測(cè)得的值求取平均值，結(jié)果見(jiàn)表2。舍去壓點(diǎn)2和6，得到該彈性聯(lián)軸器的維氏硬度為111HV(F=2.942N)，符合GB 5237.1—2017中硬質(zhì)鋁合金的硬度標(biāo)準(zhǔn)。點(diǎn)2的硬度偏高，說(shuō)明材料中存在脆硬相。

圖1 壓痕

表2 維氏硬度

1.3 宏觀檢查

斷口的宏觀檢查是為了逐步判斷斷裂失效的性質(zhì)、斷裂的起源、造成斷裂的載荷因素以及工作環(huán)境等[9]。用細(xì)毛刷輕刷斷口，觀察斷面(如圖2所示)，可見(jiàn)：聯(lián)軸器斷面呈銀灰色，部分區(qū)域呈黑灰色，對(duì)光轉(zhuǎn)動(dòng)，邊緣區(qū)域有閃閃發(fā)光的突起棱邊；斷口可以拼合復(fù)原；有光澤，無(wú)氧化，無(wú)腐蝕痕跡；無(wú)明顯冶金缺陷。沿著斷面上的放射狀花樣，可以發(fā)現(xiàn)裂紋起始于斷口的邊緣處，并沿著徑向擴(kuò)展，如圖2中圓圈區(qū)域所示。在交變應(yīng)力的作用下，在斷口的另一側(cè)形成撕裂棱。

圖2 斷口宏觀形貌

1.4 斷口形貌分析

將斷口置于型號(hào)為BX51的反射偏光顯微鏡下觀察，可見(jiàn)斷面粗糙不平，呈階梯狀，沒(méi)有明顯的塑性變形，如圖3所示。將斷口用超聲波清洗儀清洗并鍍金后，置于型號(hào)為EV018的鎢絲燈低倍掃描電鏡下觀察圖2中圓圈區(qū)域，如圖4所示。箭頭指向區(qū)域斷面平坦整齊，沒(méi)有塑性變形，而圖中左側(cè)橢圓區(qū)域內(nèi)，存在明顯的撕裂棱，屬于脆性斷裂形貌。另外，方框區(qū)域有明顯的參差不齊的加工刀痕，在交變應(yīng)力的作用下，很容易在此處形成應(yīng)力集中，使此處成為薄弱區(qū)域，成為裂紋萌生的源點(diǎn)。

圖3 光鏡下的斷口形貌

圖4 斷口的低倍形貌(100×)

將斷面放在1 000倍的掃描電鏡下觀察，如圖5所示，斷裂晶粒呈現(xiàn)為粗大的塊狀，每個(gè)晶粒的多面體形貌類似于巖石塊的堆集，表現(xiàn)出巖石狀斷口，并且由于多面體感強(qiáng)，各晶粒塊之間存在裂痕，故3個(gè)晶界面相遇之處能見(jiàn)到三重結(jié)點(diǎn)，表明該斷口屬于沿晶脆性斷裂。

圖5 斷口的高倍形貌(1 000×)

在高倍掃描電鏡下觀察裂紋疲勞擴(kuò)展區(qū)的斷口，如圖6(a)所示，可見(jiàn)清晰的疲勞輝紋，表明該聯(lián)軸器受到交變應(yīng)力的作用，屬于疲勞脆性斷裂。對(duì)裂紋擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行EDS分析，發(fā)現(xiàn)其Si元素的含量明顯高于基體，如圖6(b)所示。過(guò)多的Si元素易形成脆硬的化合物，使得聯(lián)軸器的脆性增加而塑性下降，損害基體[10]。

1.5 金相組織檢驗(yàn)

斷裂零件的金相組織如圖7所示，由圖可見(jiàn)金相組織成分均勻，晶粒較細(xì)，無(wú)嚴(yán)重夾雜及疏松等組織缺陷。圖8為聯(lián)軸器斷面切縫邊緣處金相組織形貌，圓圈區(qū)域中顯示微小的裂紋從邊緣表面處開(kāi)始向內(nèi)延伸，表明裂紋源存在于邊緣的表面。

圖6 斷裂擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌與其EDS結(jié)果

圖7 正常部位組織

圖8 斷面邊緣組織

2 分析與討論

通過(guò)斷口形貌可知，斷裂面無(wú)明顯的塑性變形，在高倍掃描電鏡下斷裂晶粒呈現(xiàn)巖石狀的堆集，是典型的脆性沿晶斷裂，且裂紋的擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)疲勞輝紋，由此可知，該聯(lián)軸器斷裂屬于疲勞脆性斷裂。

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：該彈性聯(lián)軸器的硬度符合技術(shù)要求，但個(gè)別區(qū)域的硬度偏高。經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)，斷裂面Si元素含量超標(biāo)，表明Si元素與其他元素產(chǎn)生了硬化相，使得材料的硬度分布不均，局部區(qū)域硬度偏高。金相組織成分均勻，顯微組織正常，晶粒細(xì)小，無(wú)嚴(yán)重夾雜及疏松等組織缺陷，表明該彈性聯(lián)軸器的熱處理質(zhì)量尚好。

斷口觀察結(jié)果顯示，斷面存在放射狀的貝紋線，沿著貝紋線擴(kuò)展的反方向確定了裂紋源位于斷口的邊緣，且在斷口邊緣處發(fā)現(xiàn)存在加工刀痕，表明聯(lián)軸器在工作的過(guò)程中受到交變載荷的作用，在加工刀痕處產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，其應(yīng)力值遠(yuǎn)大于材料的強(qiáng)度極限[11]，降低了聯(lián)軸器的承載能力，成為裂紋的起始點(diǎn)。能譜分析結(jié)果表明，材料中存在脆硬相，在應(yīng)力集中時(shí)，容易形成微裂紋，當(dāng)聯(lián)軸器處于交變載荷的工作狀態(tài)下，微裂紋逐漸聚集和擴(kuò)展。需要注意的是，在聯(lián)軸器的兩端與彈簧片的交接處厚度不均，所承載的扭轉(zhuǎn)能力不同[12]。在高速旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)下，聯(lián)軸器的兩端存在轉(zhuǎn)速差，導(dǎo)致安裝過(guò)程中出現(xiàn)軸心無(wú)法對(duì)中的情況[1]，產(chǎn)生上下振動(dòng)，此時(shí)的彈簧片將同時(shí)受到周向的扭矩和軸向的拉力，使得裂紋加速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致聯(lián)軸器發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論與建議

1)該彈性聯(lián)軸器的斷裂模式為疲勞脆性斷裂。

2)該彈性聯(lián)軸器斷裂失效的主要原因是由于聯(lián)軸器本身存在加工刀痕，在應(yīng)力集中處產(chǎn)生微裂紋(即裂紋源)。

3)材料中Si元素的含量偏高，產(chǎn)生脆硬相，使得聯(lián)軸器韌性下降而脆性增加，在交變載荷的作用下，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，最終發(fā)生疲勞斷裂。因此在選擇材料時(shí)應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)材料的質(zhì)量。

4)聯(lián)軸器表面殘留的加工刀痕是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要原因，可以通過(guò)選擇合適的加工方法，提高聯(lián)軸器的表面質(zhì)量，并在裝配前嚴(yán)格檢查其表面質(zhì)量，避免出現(xiàn)加工缺陷。