摘 要:經長期運行后,某風機傳動軸軸頸與套筒之間磨損嚴重,軸頸表面經堆焊修復后繼續使 用,但不久出現斷裂。通過宏觀觀察、化學成分分析、拉伸試驗、硬度試驗、顯微組織觀察和斷口分 析等方法查找風機軸斷裂的原因。結果表明:風機軸發生了低循環(高應力)下的多源疲勞斷裂,在 斷口邊緣棘輪臺階處可見大量輪胎狀壓痕,經修復的風機軸軸肩表層顯微組織和硬度出現異常,變 徑處未加工的焊道焊趾加劇了軸肩的應力集中,在交變載荷作用下,鍵槽和焊道焊趾成為疲勞裂紋 源,在工作載荷作用下快速擴展直至風機軸發生斷裂。
關鍵詞:堆焊;風機傳動軸;多源疲勞斷裂;輪胎狀壓痕
中圖分類號:TG142 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0040-05
軸桿是機械產品中最重要的零件之一,工作條 件復雜,失效事故時有發生,失效形式也不盡相同, 加工、熱處理、表面處理、裝配、維修等環節出現問題 均可造成軸桿的早期失效[1-6],而突發性失效事件將 對企業造成重大的經濟損失,并對人身安全構成嚴 重威脅。
增厚堆焊是通過熔敷一定厚度的金屬,修復機 械設備工作表面磨損部分和金屬表面殘缺部分的一 種方法[7]。堆焊常被用于軸類零部件的表面增厚處 理,但涉及焊材選取、焊接電流、加熱方式以及焊后 機械加工等環節,因此堆焊件經常發生不同形式的 失效問題。
國內某汽車廠在用的 MITSUYA風機,因長期 運行使用,該風機傳動軸(簡稱風機軸)軸頸與套筒 之間出現嚴重磨損,無法滿足配合需求而會發生相 互滑動,經表面堆焊修復繼續使用幾天后,風機軸出 現早期斷裂,其堆焊焊接工藝不詳。風機軸材料牌 號為S45C,制造與熱處理工藝不明,風機軸出廠時 間超過10a,材料參數參考JISG4051-1979《機械 結構用碳素鋼材》。經宏觀觀察初步判斷斷裂為多 源疲勞斷裂,為進一步確認失效原因,對斷裂風機軸 進行了宏觀觀察、化學成分分析、拉伸試驗、硬度測 試、顯微組織觀察和斷口分析。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
風機軸斷口位于軸頸與軸身的變徑位置(軸 肩位置),斷裂風機軸的宏觀形貌見圖1。經測量, 風機軸軸身和軸頸直徑分別為55mm 和60mm, 風機軸長度約為1100mm,取出軸頸套筒后發現 橫跨 軸 頸 與 軸 身 的 鍵 槽 尺 寸 約 為 25 mm× 8mm×4mm。對軸頸側斷口進行觀察發現,斷口 表面無宏觀塑性變形,斷口表面齊平、光滑,沿斷 口邊緣分布有1號、2號、3號、4號共4個斷裂棘 輪臺階,1號臺階起源于軸肩和鍵槽的交錯位置, 圖2a)方框處為最后斷裂區。斷口邊緣可見由軸 頸表面向軸肩延伸的堆焊層,斷口邊緣沿堆焊焊 趾起伏分布,軸肩凹凸不平,根部未見圓角過渡, 見圖2b)。采用體視顯微鏡觀察斷口,可見2號、3 號、4號共4個斷裂棘輪臺階均起源于軸頸堆焊焊 趾位置,其中3號棘輪臺階可見沿焊趾向軸心方 向擴展的裂紋,見圖2c)。軸頸外表面存在大量孔 洞缺陷,見圖2d)。
1.2 化學成分分析
按照 GB/T4336-2016《碳素鋼和中低合金 鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法 (常規法)》,對風機軸的化學成分進行分析,檢測結 果均符合JISG4051-1979中對S45C鋼的成分要 求,檢測結果見表1。
1.3 拉伸試驗
在風機軸半徑的1/2處截取兩個縱向拉伸試 樣,按照GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第 1部分:室溫試驗方法》進行室溫拉伸試驗,試驗結 果見表2。參考標準JISG4051-1979對S45C鋼 正火態的力學性能要求,可見風機軸的屈服強度低 于標準要求的下限值,抗拉強度(Rm)和斷后伸長率 (A)均符合標準要求。
1.4 顯微組織觀察
在軸頸位置截取橫截面試樣,在軸肩位置截 取縱截面試樣,經4%(質量分數)硝酸酒精浸蝕 后,依據 GB/T13298-2015《金屬顯微組織檢驗 方法》,進行顯微組織觀察。圖3為風機軸軸頸橫 截面和軸肩縱截面的顯微組織。經軸頸外表面堆 焊后,軸頸橫截面最外層為網狀鐵素體+珠光體 的焊縫組織,見圖3a)。焊縫內側可見大量堆焊形 成的過熱魏氏組織及淬硬馬氏體組織,見圖3b)。 軸頸心部為塊狀鐵素體+珠光體組織,珠光體片 層結構清晰,局部嚴重偏析,見圖3c)。觀察軸肩 縱截面試樣發現,經軸頸外表面堆焊后,軸肩兩側 為兩種完全不同的顯微組織,軸肩為針狀/塊狀鐵 素體+珠光體組織,軸肩根部軸身側為貝氏體+ 珠光體 組 織,見 圖 3d)和 圖 3e)。根 據 標 準 JIS G4051-1979的熱處理技術要求,軸的正常組織 應為鐵素體+珠光體組織。
1.5 硬度試驗
按照GB/T4340.1-2009《金屬維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,對軸肩縱截面進行維氏硬度 試驗,測量結果見圖4,左上角插圖為檢測位置示意 圖。由圖4可知,在軸肩過渡位置處硬度出現異常 變化,軸肩內層的硬度變化更加明顯,靠近軸身側硬 度明顯偏高(300HV),較軸肩變徑處的硬度高約 80HV,這超過JISG4051-1979標準要求的上限 值(240HV),為典型的硬化區。
1.6 斷口分析
對圖2a)所示的軸頸側斷口進行丙酮超聲清洗 后,進行掃描電鏡進行觀察。由圖5a)~c)可見,斷 口整體較為齊平,斷口邊緣軸肩位置可見因堆焊后 車削加工造成的孔洞缺陷,軸肩可見沿根部分布的 細小裂紋,斷口邊緣可見沿堆焊焊趾向心部擴展的 裂紋臺階。由圖5d)可見,斷口邊緣位置有許多棘輪狀臺階,棘輪臺階附近可見大量輪胎狀壓痕,壓痕 呈短程、有序分布,這種輪胎壓痕表明風機軸發生了 低循環(高應力)疲勞開裂[8]。由圖5e)可見,斷口 擴展區表面的大量珠光體層片間呈解理形貌,并可 見解理臺階。由圖5f)可見,斷口最后瞬斷區呈典 型的韌窩形貌特征。
2 分析與討論
斷裂風機軸的化學成分符合JISG4051-1979 的技術要求。通過宏觀觀察可見,軸頸和軸肩外表 面存在堆焊后車削加工造成的孔洞缺陷,斷口表面無宏觀塑性變形,斷口齊平,邊緣存在大量的棘輪臺 階,這些棘輪臺階即為斷裂的起始點。由拉伸試驗 結果可見,風機軸的屈服強度低于JISG4051- 1979對S45C鋼(正火態)技術要求的下限值。通過 顯微組織觀察可見:軸頸橫截面由外而內的組織分 別為網狀鐵素體+珠光體、魏氏組織鐵素體、馬氏體 組織、鐵素體+珠光體組織,心部區域存在嚴重偏 析;軸肩為針狀/塊狀鐵素體+珠光體組織,軸肩根 部軸身側則為貝氏體+珠光體組織。維氏硬度檢測 結果表明,兩側區域測得的硬度存在明顯差異。通 過軸頸斷口分析可見:風機軸斷口邊緣處存在多處 棘輪臺階,臺階附近可見大量輪胎壓痕,呈現多源的 低循環(高應力)疲勞斷裂特征;斷口邊緣可見沿堆 焊層焊趾向軸心擴展的裂紋。
綜上分析,在運行工況下,風機軸承受在皮帶輪 預緊力作用下產生的彎曲應力和轉動傳動時產生的 剪切應力的共同作用,為典型的交變載荷。風機軸 經堆焊及加工維修后,局部焊道焊趾、孔洞缺陷和鍵 槽位置成為嚴重應力集中部位。同時,堆焊后軸肩 兩側的顯微組織和硬度差異較大,容易在倒角處形 成應力集中,影響軸肩位置的抗疲勞性能。風機軸 軸頸最外層組織為針網狀鐵素體+珠光體組織,心 部組織嚴重偏析,進一步減弱了軸頸的抗疲勞性能, 最終在交變載荷作用下,風機軸在以上薄弱位置產 生疲勞裂紋源,并快速擴展直至發生斷裂。
3 結論與建議
(1)風機軸軸頸堆焊及加工維修引起的軸肩位 置的顯微組織和力學性能異常,在交變載荷作用下, 軸肩位置焊道焊趾、孔洞缺陷和鍵槽等高應力集中 部位產生疲勞裂紋源,快速擴展最終發生斷裂。
(2)基于風機軸的斷裂失效原因,針對軸類零 件表面堆焊修復提出以下幾點建議:提高焊接質量, 避免軸表面和軸肩位置出現孔洞缺陷;軸肩應采用 圓角進行平緩過渡,避免應力集中;皮帶預緊力應合 理設置,避免產生過大彎曲應力。
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