寬厚板精軋機主傳動軸叉頭失效分析

馮 煌，樊建成

(1.上海交通大學，上海 200240;2.上海寶山鋼鐵股份有限公司設備部，上海 201900)

1 前言

寬厚板精軋機主傳動軸叉頭經激光熔覆修復后發生斷裂失效。為掌握叉頭失效的原因，開展了厚板精軋機主傳動軸叉頭的失效分析和有限元模擬計算，通過斷口形貌分析、化學成分分析、機械性能測試和金相組織分析，以及激光熔覆工藝和局部補焊工藝對基體組織的影響，找出了其薄弱環節，為進一步完善主傳動軸的失效機理研究和結構優化提供理論依據。

2 斷口形貌宏觀分析

如圖1所示，已斷裂叉頭的A、B兩側斷口各有一處面積很小的疲勞源，其余區域均為瞬斷區。截取疲勞源處的斷口試樣，可以清楚地看到疲勞源、疲勞擴展區、瞬斷區的疲勞斷口三特征，由此可知叉頭是由疲勞裂紋擴展導致斷裂。

圖1 斷裂叉頭疲勞源附近的斷口形貌

3 斷口形貌微觀分析

按圖2對1#、2#兩處主疲勞源試樣進行剖分，觀察斷裂叉頭主疲勞源的SEM斷口形貌。圖3為1#主疲勞源的A2、A3剖片SEM斷口形貌，圖4為2#主疲勞源B5剖片的斷口和工作面SEM形貌。圖5為裂紋源②的高倍SEM形貌。由圖2、圖3宏觀、微觀斷口形貌可見，1#主疲勞源是由一條人字疲勞裂紋擴展形成，箭頭代表裂紋擴展方向，人字疲勞裂紋起源于裂紋源①，位于工作面下4～5 mm，即補焊層與本體交界位置。由圖4、圖5可見，2#主疲勞源為不規則斷口形貌，無明顯疲勞裂紋擴展痕跡，裂紋源②處的工作面有一微裂紋，橫截面可見其向內部擴展的特征，2#主疲勞源就是由該裂紋疲勞擴展所形成的。

圖2 1#、2#兩處主疲勞源剖分照片

4 化學成分分析

斷裂叉頭取樣進行化學成份分析，結果如表1所示，叉頭成份符合 DIN標準 GS－33CrNiMo744 成份要求，P、S、［H］、［O］、［N］含量很低。

表1 斷裂叉頭的化學成份 %

5 機械性能測試

斷裂叉頭取樣進行機械性能測試，結果如表2所示，斷裂叉頭的室溫拉伸強度、沖擊功均滿足DIN標準要求。

表2 斷裂叉頭的機械性能

A－3 820 1 000 8.5 16.0 25 B－1 840 1 020 8.0 19.0 22 B－2 840 1 020 8.0 19.0 22 B－3 840 1 000 10.5 23.0 22

6 斷面硬度測試

斷面微區硬度檢測結果如圖6所示。檢測結果顯示，叉頭基體硬度約300 HV，補焊層硬度約200 HV，補焊熱影響區寬度約2 mm、硬度約570 HV;激光熔覆層及其熱影響區的硬度與基體硬度基本一致。叉頭工作面局部補焊對基體材料硬度影響較大。

圖6 斷裂叉頭斷面硬度測試結果

7 金相組織分析

圖7為斷裂叉頭工作面補焊熱影響區及基體的低倍金相組織。補焊熱影響區有微裂紋缺陷，基體材料組織有一定偏析和不均勻，補焊熱影響區組織比基體組織更加粗大且呈一定方向分布。

圖7 斷裂叉頭工作面補焊區的低倍金相組織

圖8 為斷裂叉頭不同部位的高倍金相組織。補焊層組織為固溶體+共晶碳化物，分布有枝晶組織;近補焊層的補焊熱影響區組織為粗大針狀馬氏體+殘余奧氏體+少量碳化物;近基體的補焊熱影響區組織為細針狀馬氏體+殘余奧氏體+少量碳化物;激光熔覆層組織為細馬氏體+殘余奧氏體+少量碳化物，其熱影響區組織主要為托氏體+少量碳化物;叉頭基體組織為回火索氏體+少量鐵素體。

圖8 斷裂叉頭不同部位的高倍金相組織

8 微區成份分析

表3為斷裂叉頭工作面補焊層的微區成份EDAX分析結果，可知局部補焊層為高Ni-Cr合金材料;表4為斷裂叉頭工作面激光熔覆層的微區成份EDAX分析結果，激光熔覆層為低C-Cr合金鋼材料，不含Ni等合金元素，接近于叉頭基體材質;局部補焊層的材質與激光熔覆層差異較大。

表3 斷裂叉頭工作面補焊層的微區成份%

表4 斷裂叉頭工作面激光熔覆層的微區成份%

9 叉頭有限元(FEA)分析

圖9和圖10為叉頭表面的應力分布云圖。由圖可見，叉頭最大應力達到400.483 MPa，最大應力點大約在軸孔45°角的位置，在軸孔面和叉頭外表面交界處，與實際斷裂位置相吻合。

圖11和圖12為叉頭第一主應力云圖和軸孔附近第一主應力等值線圖。由圖可見，軸孔45°角位置的第一主應力最大，且為沿圓周切向的拉應力，這是最容易破壞的應力狀態。

10 分析與討論

(1)主傳動軸叉頭斷裂屬典型的疲勞裂紋擴展斷裂，斷裂位置位于叉頭軸承孔底部兩側45°方向最大應力位置，疲勞擴展區清晰可見，且相對于瞬斷區面積很小，說明叉頭瞬時沖擊負荷很大，有過載情況存在。

(2)起始裂紋源于叉頭孔內表面上的裂紋源②，在軋制沖擊負荷作用下裂紋源②產生疲勞擴展后，改變了叉頭的受力狀態，進而誘發工作面以下4～5 mm深處的裂紋源①補焊缺陷裂紋的疲勞擴展，裂紋疲勞擴展至一定程度叉頭應力超過材料的許用極限，叉頭即產生瞬時失穩斷裂。除了1#、2#主疲勞源外，在兩側斷口還分別存在Ⅰ、Ⅱ等次生疲勞源。

(3)除了傳動負荷超過材料疲勞極限、接軸設計安全系數不高的因素外，造成叉頭疲勞斷裂的主要原因是叉頭軸承孔工作面及次表層的激光熔覆、局部補焊缺陷形成了裂紋源，加速了疲勞裂紋的形成。

(4)斷裂叉頭軸承孔工作面采用了整體激光熔覆+局部補焊兩種修復工藝。激光熔覆層為低C－Cr合金鋼材料，接近于叉頭基體材質，但存在明顯的界面局部缺陷和熱影響區現象。局部補焊層為高Ni－Cr合金材料，材質與叉頭基體材質差異很大，存在大量的補焊夾渣、補焊裂紋、補焊分層等補焊缺陷，同時補焊層硬度低于基體硬度、熱影響區硬度大大高于基體硬度的異常現象。

(5)斷裂叉頭的基體成份、基體組織及基體機械性能基本正常。從有限元分析的結果來看，叉頭軸承孔45°方向區域是應力最大區域易發生開裂失效的危險部位，與實物破壞的情況吻合。

［1］ 張棟．機械失效的痕跡分析［M］．北京:國防工業出版社，1996．

［2］ 劉安中，李友榮．軋機主傳動萬向接軸隨機疲勞設計［J］．武漢科技大學學報:自然科學版，2008，(1)．

［3］ 王德斌，曹萬昊．1700軋鋼機接軸叉頭失效分析［J］．鞍山鋼鐵學院學報，1998，(6)．