某機電設備主軸斷裂斷口分析

卜瑩　馮倩

摘 要：該文針對某轉動設備主軸的斷裂問題，通過宏觀斷口分析、微觀斷口分析、痕跡分析等手段，發現其宏觀斷口按特征分為4個區域，呈現皿狀特征，呈現韌性、脆性斷裂特征，與之對應的微觀斷口呈現韌窩、解理與準解理等特征。結合痕跡分析最終推斷，多次過載和不良表面完整性是導致主軸斷裂的主要原因。

關鍵詞：宏觀斷口 微觀斷口 SEM

中圖分類號：TK223.26 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）02（b）-0097-03

某型機電動設備在石化、冶金等眾多領域具有廣泛的用途，其中一臺在使用約2年后發生主軸斷裂，斷裂部位直徑約80 mm，材料牌號35CrMo，經調質處理，工作溫度接近室溫。

該文通過主軸宏觀及微觀斷口分析、確定主軸斷裂模式，分析斷裂的原因。

1 試驗結果與分析

1.1 宏觀分析

斷裂主軸如圖1所示，為階梯軸，其彎曲明顯，在斷口相鄰的第2個軸肩轉接R受彎拉伸一側可見到沿周向長約50 mm的裂縫，斷口附近軸表面及第2軸肩裂紋處約3 mm范圍均可見較深加工刀痕，而軸的其余表面狀態相對較好，未見較深刀痕，見圖3。該文將針對第3軸肩的斷口進行深入分析。

1.2 宏觀斷口分析

宏觀觀察斷口沿軸肩R處斷裂，呈皿狀斷口特征，周邊有輕微塑性變形，斷口全貌見圖2。

斷口分為幾個不同區域。

1區：其斷口為暗灰色，相對平坦，有細膩的韌性纖維狀斷裂特征，其起始的軸肩表面較粗糙，有較深周向加工刀痕。

2區：位于1區更深入軸心的區域，斷口為暗灰色，較粗糙，可見與軸圓周平行的條痕，形似纖維狀韌性斷裂特征。

3區：位于軸心略偏向一側位置，斷口呈銀灰色，有清晰放射棱線，很粗糙，可見閃光小刻面，呈現脆性快速斷裂特征。

4區：位于軸斷面近表面，斷口暗灰色，局部有外來金屬污染粘著和斷口碰撞損傷痕跡，殘留部分斷口較細膩，呈現纖維狀剪切斷裂特征。

這4個分區有清晰分界，肉眼可清晰分辨。

1.3 微觀斷口分析

利用Quanta400掃描電鏡對這4個分區的斷口顯微形貌進行了微觀形貌觀察（SEM）。

（1）斷口1區顯微形貌見圖3、圖4，在主軸斷口一周存在1區斷口，斷口起始于一周軸肩表面，為纖維狀斷口特征，可見較細膩的平行于軸圓周的條痕，微觀無明顯擴展棱線，為細小韌窩，這些區域還可見到平行于軸圓周的韌帶。觀察斷口附近表面，有較深加工刀痕，刀痕底部可見到沿周向分布的多條微裂紋，而軸其他表面狀態相對較好，僅有淺的加工刀痕，見圖5、圖6。

（2）斷口2區與1區形貌相似，兩區占到整個斷口面積的1/3多，只是2區纖維狀條痕變得粗糙，條痕間距略變大，兩區的界線是載荷波動形成的休止線，顯微形貌同樣為韌窩特征，其韌窩比1區略大，見圖7。

（3）斷口3區約占整個斷口面積的1/2，由擴展最深的1、2區部位起始，向另一側擴展，有清晰放射棱線，呈現快速擴展斷裂特征，顯微形貌為解理和準解理，見圖8、圖9。

（4）斷口4區位于3區擴展末端和軸另一側邊緣的1區斷口交匯處，部分區域擦傷嚴重，部分區域有外來物粘著，殘留部分斷口形貌見圖10～圖12。其顯微形貌為剪切韌窩形貌，屬最后斷裂區。

從上述4個區域斷口的宏觀和微觀判斷，該斷口屬多次過載開裂，起始部位位于軸肩部位較深周向加工刀痕，未見材料冶金缺陷。

2 綜合分析

由主軸斷口及裂紋分析看出，主軸斷裂屬于多次過載斷裂，起始于軸肩轉接圓角R處較深加工刀痕。

轉子軸在工作過程中主要受到彎曲應力和扭矩，即旋轉彎曲載荷。在這一載荷作用下，裂紋擴展方向總是沿著與拉伸正應力垂直的方向。由于該主軸斷裂部位具有截面突變，該部位主應力線偏移，形成圖13所示斷裂路徑。因此軸形成了皿狀斷口形貌，同時該次斷裂軸的斷裂1區位于整個軸的外表，最后斷裂區位于近軸表面一側，這也表明軸受到了彎曲應力，這進一步說明該次斷裂軸是在旋轉彎曲載荷作用下發生的破壞。

從斷口形貌判斷，斷口1、2區平行于軸表面的撕裂韌帶狀條痕就是在周期性旋轉彎曲應力作用下形成的，其微觀形貌雖表現為細小韌窩，但每個條痕對應著一次載荷循環，即出現最大拉伸載荷時，超過其斷裂強度，軸以撕開型斷裂方式開裂擴展一定距離，形成小韌窩，在載荷小于斷裂強度時，擴展終止；當下一個拉伸載荷到來，又向前擴展一段距離，并形成了平行于軸表面的撕裂韌帶狀條痕，因為周次較低，其斷口表現為細小韌窩[1]。

另外，軸肩R處表面完整性不良，使得軸肩部位具有較高的應力集中效應，促進了軸的早期斷裂。

3 結語

綜上所述，該型設備主軸屬多次過載斷裂，不良表面完整性對軸早期斷裂有一定貢獻；主軸在工作過程中突然承受到異常大載荷是其過載斷裂的根本原因。

參考文獻

[1] 陳慧玲.普通軸類零件失效分析[J].金屬熱處理，2007，32（7）：85-87.