十字萬向關節斷裂原因分析

(寧波鋼鐵有限公司 制造管理部, 寧波 315807)

十字萬向關節斷裂原因分析

孫宇紅

(寧波鋼鐵有限公司 制造管理部, 寧波 315807)

某熱軋機用十字萬向關節在非關鍵受力處發生斷裂。通過宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、斷口分析等方法，分析了該十字萬向關節的斷裂原因。結果表明：十字萬向關節斷裂的主要原因為，材料內部存在孔洞群及大顆粒非金屬夾雜物，成為裂紋源，并在往復運行中產生疲勞斷裂；斷裂的次要原因為材料內部非金屬夾雜物較多，材料的強度和韌性均較差。

十字萬向關節；斷裂；應力集中；非金屬夾雜物；孔洞

十字萬向關節是熱軋廠連接軋輥和電機的萬向傳動裝置，設備運行時，十字萬向關節隨著扭矩前后交替轉動，不易磨損斷裂。一般情況下，一臺萬向關節可以使用3～5 a(年)不會斷裂，因此除了年休時定期檢修保養外不需要額外養護。

某十字萬向關節由ZG35CrMo鋼鑄造成型，僅安裝3個月后在軋機運行過程中發生意外斷裂，如圖1所示，導致軋輥損壞，鋼卷在軋制過程中緊急停止，造成在線鋼卷報廢，同時整個軋線停止運行數小時，給公司造成了巨大的經濟損失，屬于嚴重的生產事故。

圖1 斷裂十字萬向關節外觀Fig.1 Appearance of the fractured cross universal joint

筆者通過對該十字萬向關節進行一系列理化檢驗和分析，尋找其斷裂原因，并對后期設備采購和驗收提出要求，控制故障源頭，以防類似事故的再發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該十字萬向關節的兩個斷口如圖2所示，分別對兩個斷口進行宏觀觀察，如圖3～4所示。可見1號斷口較光滑，有明顯的疲勞區和擴展區，在試樣外側垂直斷口方向有清晰的裂紋(圖5)。圖3b)中的凸起為裂紋源，在轉動過程中，在凸起位置產生開裂，同時裂紋向內延伸，形成疲勞貝紋線。試樣變形后失衡，1號斷口產生開裂，有放射狀臺階條紋，同時2號斷口處受力。在2號斷口內部有φ10 mm左右不規則的孔洞，見圖4b)，此處為2號斷口的裂紋源，裂紋在外力作用下向外延伸，最終導致十字萬向關節斷裂。

圖2 十字萬向關節斷口形貌Fig.2 Morphology of fracture surface of the cross universal joint

圖3 1號斷口及裂紋源形貌Fig.3 Morphology of No.1 fracture surface and crack source: a) fracture surface; b) crack source

圖4 2號斷口及裂紋源形貌Fig.4 Morphology of No.2 fracture surface and crack source: a) fracture surface; b) crack source

圖5 十字萬向關節外側裂紋形貌Fig.5 Morphology of cracks on the outside of the cross universal joint

1.2 化學成分分析

十字萬向關節的材料為ZG35CrMo鋼，從斷裂件上取樣，根據JB/T 6402-2006《大型低合金鋼鑄件》[1]中的要求，對其化學成分進行分析，結果見表1。由結果可見，材料中的碳和鉬元素含量偏高，而鉻元素含量明顯低于標準要求。由于碳和鉬在鋼中起到固溶強化的作用，碳和鉬元素含量偏高會增加材料的強度，但同時會降低材料的塑性和韌性；而鉻元素含量偏低則會導致材料的耐腐蝕性和抗氧化性降低。

表1 十字萬向關節的化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the cross universal joint (mass fraction) %

1.3 力學性能測試

在該十字萬向關節上縱向截取沖擊試樣進行室溫沖擊試驗，并對其橫截面進行硬度測試，結果如表2所示。 結果顯示，試樣的沖擊吸收能量明顯偏低，且沖擊斷口為脆性的沿晶斷口。

表2 十字萬向關節沖擊試驗和硬度試驗結果Tab.2 Results of impact test and hardness testof the cross universal joint

1.4 金相檢驗

取十字萬向關節基體制備試樣進行金相檢驗，可見其顯微組織為馬氏體+少量鐵素體(圖6)，材料內部存在肉眼可見大的和細小的孔洞(圖7)及顆粒狀氧化鋁夾雜物(圖8)。對試樣中的孔洞進一步觀察，可以看到孔洞處組織被孔洞分割且孔洞疊加相連，使材料表現為孔洞群形貌(圖9)。

圖6 十字萬向關節的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the cross universal joint

圖7 十字萬向關節組織中的孔洞形貌Fig.7 Morphology of pinholes in structure of the cross universal joint

圖8 十字萬向關節組織中的非金屬夾雜物的形貌Fig.8 Morphology of non-metallic inclusions in structure of the cross universal joint

圖9 十字萬向關節組織中的孔洞群形貌Fig.9 Morphology of voids in structure of the cross universal joint

1.5 斷口分析

使用掃描電鏡對1號、2號斷口進行微觀觀察，可以看到在1號斷口裂紋源處存在大塊非金屬夾雜物，見圖10a)，能譜分析該處為氧化鋁及硅酸鹽夾雜物，見圖10b)。結合1號斷口的宏觀形貌分析，可以推斷1號位置處由大塊非金屬夾雜物產生裂紋源，并在設備運行過程中沿受力方向擴展，最終導致斷裂。2號斷口的裂紋源為材料內部孔洞，見圖11，裂紋由孔洞向周圍擴展，直至斷裂。

圖10 1號斷口夾雜物形貌及能譜圖Fig.10 Morphology and energy spectrum of inclusions in No.1 fracture surface: a) morphology; b) energy spectrum

圖11 2號斷口裂紋源微觀形貌Fig.11 Micro morphology of crack source in No.2 fracture surface

2 分析與討論

斷裂的十字萬向關節屬于鑄造件，顯微組織為馬氏體+鐵素體，鋼材本身質量較差，存在較多的氧化鋁、硅酸鹽夾雜物及大尺寸的孔洞，嚴重降低了鋼的疲勞性能，同時也降低了鋼的韌性和塑性[2]。嚴重的內部缺陷導致材料產生應力集中[3-4]，嚴重損害了十字萬向關節的疲勞性能。另外，由于材料本身由鑄造成型，沒有經過調質處理，內部組織晶粒粗大[5]，脆性較高，在使用過程中也易導致裂紋擴展直至斷裂。

該十字萬向關節1號斷口的裂紋源為初始裂紋源，也是零件斷裂的主要原因。在設備運行過程中，大顆粒的非金屬夾雜物產生應力集中，成為裂紋源，并在往復運行中導致疲勞開裂。2號斷口的裂紋源為衍生裂紋源，由于材料內部非金屬夾雜物和孔洞較多，材料的強度和韌性均較差，在1號斷口疲勞開裂的過程中，在非金屬夾雜物和孔洞周邊產生裂紋并擴展，最終導致十字萬向關節斷裂，這是零件斷裂的次要原因。

3 結論及建議

該十字萬向關節斷裂的主要原因為，材料內部存在孔洞群及大顆粒非金屬夾雜物，成為裂紋源，并在往復運行中產生疲勞開裂；斷裂的次要原因為，材料內部的非金屬夾雜物較多，材料的強度和韌性均較差，導致十字萬向關節斷裂。

建議對庫存的十字萬向關節進行無損探傷檢測，不再使用存在氣泡和孔洞缺陷的備件，避免造成生產安全事故。

[1] JB/T 6402-2006 大型低合金鋼鑄件[S].

[2] 趙偉華,周澤華,余孝德,等.QT400-18L鑄件的縮松缺陷對其力學性能的影響[J].理化檢驗-物理分冊,2011,47(9):546-549.

[3] 張玉庭.熱處理手冊[M].北京:機械工業出版社,2007:533-540.

[4] 孟文華,曾偉傳,顧靜青,等.10.9級螺栓早期疲勞斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2017,53(5):365-367.

[5] 姚兵印,張志博,馬劍民,等. 風力發電機組葉片連接高強螺栓的斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(5):339-344.

AnalysisonFractureReasonsoftheCrossUniversalJoint

SUNYuhong

(Manufacturing Management Department, Ningbo Steel Co., Ltd., Ningbo 315807, China)

The cross universal joint for a hot rolling machine fractured at the position without high stress. The fracture reasons of the cross universal joint were analyzed by means of macroscopic observation, chemical composition analysis, mechanical property testing, metallographic examination and fracture analysis. The results show that: the main cause of fracture of the cross universal joint was the existing of voids and bulky non-metallic inclusions in the material, which resulted in crack source and fatigue cracking during reciprocating motion; the minor cause of the fracture was that a large number of non-metallic inclusions existed in the material, which resulted in the poor strength and toughness.

cross universal joint; fracture; stress concentration; non-metallic inclusion; pinhole

10.11973/lhjy-wl201711013

TG142.41; TG115.2

B

1001-4012(2017)11-0822-04

2017-01-03

孫宇紅(1970-)，女，高級工程師，碩士，主要從事金屬材料失效分析工作，sunyuhongljp@163.com