自動扶梯銷軸斷裂失效分析

摘 要：本文通過對自動扶梯的斷裂銷軸和未斷裂銷軸進行化學成分分析、硬度檢測、金相組織分析和斷口分析，得出銷軸的斷裂失效模式。

關鍵詞：自動扶梯銷軸 斷裂 硬度檢測 失效分析

自動扶梯在日常生活中的使用非常普遍，因此一旦發生失效，會造成不同程度的人員傷害。筆者一方受某單位委托，對某自動手扶梯在下行過程中，其中一根銷軸發生斷裂的失效事故進行檢測分析。從該自動手扶梯的技術規格書可知，斷裂銷軸材料為20CrMo鋼；經調質熱處理，硬度要求為60±2HRC；銷軸材料的抗拉強度δb為400N/mm2。

委托單位要求筆者方對其斷軸和另一根正常的未斷軸進行化學成分分析、硬度檢測、金相組織分析和斷口分析，以確定斷裂銷軸是否符合相關質量標準和指出銷軸的斷裂失效模式。

一、送檢樣品的外觀檢查和現場分析

送檢樣品以及事故現場梯級鏈上銷軸斷口的外觀形貌如圖1所示。

圖1為送檢斷軸的外觀形貌。經測量，未斷軸大頭部分長約70mm，直徑28.90mm，小頭部分長約95mm，直徑為14.82mm；斷軸長約92mm，直徑為14.80mm。銷軸斷裂部位發生在R位處。銷軸小頭一側表面較光滑，但R位處或斷口面處可見明顯車刀痕。

根據自動手扶梯的結構，銷軸大頭部分通過過盈配合安裝在梯級鏈上，即銷軸在正常運行和斷裂后均未發生轉動。據此，通過對銷軸的斷口分析，可確定銷軸斷裂時的受力方向與銷軸正常運行時的受力方向的關系。

二、失效分析及結果

1.化學成分分析

分別在斷軸和未斷軸中心鉆屑取樣，根據GB/T 20123-2006和GB/T 20125-2006，進行化學成分分析，檢測結果如表1所示。表中同時列出GB標準（GB/T 3077-1999）20CrMo鋼的標準成分，以供比較。

與現行產品標準成分含量相比，斷軸和未斷軸材料的化學成分均在GB標準20CrMo鋼的標準成分范圍之內；斷軸和未斷軸材料化學成分含量相似，應為同批次材料；銷軸材料符合自動手扶梯銷軸材料牌號的技術要求。

2.硬度檢測

（1）表面和心部硬度檢測（洛氏硬度）。根據GB/T 230.1-2009對銷軸表面和心部進行硬度檢測。表面硬度檢測在銷軸小頭一側圓柱面表面上進行；心部硬度檢測在距銷軸小頭端部10mm處的橫截面上進行，檢測結果如表2所示。

由檢測結果可見，銷軸表面硬度符合銷軸的硬度要求（60±2HRC）；銷軸心部硬度為37.5～41.5HRC，根據GB/T1172-1999，其強度相當于1139～1289 N/mm2，高于銷軸材料的強度要求（400 N/mm2）。

（2）表面硬化層硬度分布檢測（維氏硬度）。由金相組織分析可知銷軸表面經過滲碳處理，根據GB/T 4340.1-2009和GB/T 9450-2005，對銷軸表面硬化層硬度分布進行檢測。斷軸檢測部位為距銷軸斷口面20mm處橫截面上，未斷軸檢測部位為小頭一側距R位10mm處橫截面上。檢測結果的數據繪制成的硬度分布曲線如圖2所示。

根據GB/T 9450-2005，可知斷軸的有效硬化層深度為870μm，未斷軸的有效硬化層深度為890μm。斷軸和未斷軸滲碳層深度相似。

3.材料原始顯微組織分析

根據GB/T 13298-1991，在試樣上制取金相分析試樣并進行材料顯微組織分析。

（1）銷軸小頭一側。在斷軸小頭一側近斷口面處制取徑向和軸向金相分析試樣。斷軸心部徑向金相組織為“板條狀回火馬氏體+貝氏體+少量游離鐵素體”，存在帶狀組織偏析。斷軸近表面組織屬于滲碳組織，為“針狀回火馬氏體+少量殘余奧氏體+少量碳化物”。

（2）銷軸R位處。在未斷軸R位處制取徑向金相分析試樣，在銷軸R位圓弧段表面均存在內氧化組織，最大深度約為5μm；內氧化組織呈沿晶分布；在銷軸光滑段未見內氧化組織，可能與銷軸滲碳處理后經過磨削加工有關；銷軸R位表面均未見脫碳和過熱的熱處理質量缺陷。內氧化組織是在滲碳處理時形成的，銷軸R位處的內氧化組織將增加銷軸的缺口敏感性。

4.斷口分析

（1）宏觀斷口分析。為判斷銷軸的斷裂方向與銷軸正常運行時的受力方向之間的關系，把清洗前后的銷軸斷口面宏觀形貌進行對比，由清洗后的斷口面可見，銷軸斷裂源與銷軸斷口面上油污所處的部位一致。手扶梯正常運行時，處于下行狀態的銷軸R位處承受著與梯級運行方向相同的彎曲應力，根據銷軸的初始斷裂方向，可知銷軸是在正常受力情況下發生斷裂的。

斷裂面未發現疲勞斷口特征，斷裂屬于一次性斷裂。

（2）微觀斷口分析。用掃描電鏡（SEM）進一步觀察斷口形貌，開裂源區車刀痕明顯，斷口面與車刀痕方向平行，表明銷軸斷裂起源于車刀痕。開裂源區斷口微觀形貌主要為“解理斷口+準解理斷口+沿晶斷口”，終斷區斷口微觀形貌主要為“沿晶斷口”，均為脆性斷口。終斷區的“沿晶斷口”與銷軸最后斷裂時應變速率較快有關。

在開裂源區滲碳層的擴散區可見撕裂韌窩，該特征表明斷口為撕裂型斷裂，撕裂方向與宏觀斷口擴展方向一致。銷軸心部斷口微觀特征主要為“解理斷口+準解理斷口+少量韌窩”，屬于脆性斷口特征。整個斷裂面以脆性斷口為主，占90%以上，表明材料脆性較大。

三、結論

第一，斷軸材料化學成分符合GB標準20CrMo鋼的化學成分要求。

第二，斷軸材料表面硬度符合其產品技術要求，心部硬度高于其產品技術要求。

第三，斷軸材料脆性較大，缺口敏感性高，在R位處存在內氧化及明顯車刀痕等缺陷將增加銷軸發生脆性開裂

傾向。

第四，斷軸是在正常受力情況下的一次性斷裂。

參考文獻：

[1]羅智菲.從監督檢驗看某類型自動扶梯電氣控制上的缺陷[J].廣西大學學報（自然科學版），2005（S1）.

[2]饒美婉.地鐵設計中的公共交通型重載自動扶梯[J].都市快軌交通，2008（5）.

[3]王勝，葉斌.自動扶梯梯級鏈銷軸的疲勞設計[J].機械傳動，2011（7）.

[4]朱春明.自動扶梯的逆轉事故與防逆轉保護分析[J].機電工程技術，2012（1）.

（作者單位：廣東省機械高級技工學校）