轴的失效形式和原因分析

轴的失效形式与特征

轴是各种机械中最为普通而不可缺少的重要零件，根据使用条件的差异，轴有很大不同的类型，按其功能和所受载荷的不同，一般可分为心轴、转轴和传动轴三类。心轴主要承受弯矩而不承受扭矩，它只能旋转零件起支撑作用，并不传递动力。传动轴主要承受扭矩，其基本功能只传输动力，而转轴既承受弯矩又承受扭矩，它兼有支撑与传输动力的双倍功能。

由于各类轴自身的材质、结构和承载条件不同、运行环境和使用操作的差异可能发生各种不同类型的失效时有发生，失效的形式和特征也各异。

一.疲劳断裂

疲劳断裂是指轴在交变应力的作用下，经过多次反复后发生的突然断裂。是轴类零件在其服役过程中主要的失效形式。

轴在疲劳断裂前没有明显的塑性变形，反映在宏观形态上属于脆性断裂。断口形貌有其本身的特征，在宏观形貌上可分为三个区域：

图1 疲劳断裂示意图

1）疲劳源区：通常是指断口上的放射源的中心点，源区表面细密光滑，多发生于轴的表面。由于表面常存在缺口、刀痕、沟槽等缺陷，导致应力集中，从而诱发疲劳裂纹。

疲劳断口上可能只有一个疲劳裂纹源，也可能出现几个裂源。

疲劳源区有时存在疲劳台阶，这是由于不同高度的多源疲劳裂纹在其扩展过程中连接形成的。

2）疲劳扩展区：是断口上最重要的特征区域，海滩花样（贝壳花样、疲劳弧线、疲劳条带）的存在是鉴别疲劳断裂的宏观依据。有时必须借住高倍的电子显微镜才能观察到疲劳条带。根据弧线数量和间距可以略微地判断零件所承受交变应力幅值，弧线规律分布表示交变载荷是平稳的。

承受应力状态、工作环境以及材料性质的不同，疲劳裂纹扩展的形貌所异。

每条疲劳条带表示载荷的一次循环，条带间距离与外加载荷的应力幅值有关。当交变载荷变化不大、零件内的残余应力很小时，往往不出现弧线或不明显，所以不是所以疲劳断口有存在疲劳条带，低周疲劳断口有时可呈现韧窝状，有时也可出现轮胎花样（图2），所以疲劳条带并不是疲劳断裂的唯一显微特征。高频疲劳断口或腐蚀疲劳断口上的疲劳条带比较模糊，较难判断。

图3为外加载荷较小，但轴周应力较集中，所以扩展前区条带不明显，随截面的减小载荷逐渐增大，疲劳条带较明显，瞬时断裂区较小。图4外加载荷较大，呈低周疲劳断裂形貌，由于材料强度较高、

塑性较差，宏观疲劳条带不明显，瞬时断裂区较大。

图2 轮胎花样（TEM ） 图3

图4

3）瞬时断裂区：疲劳裂纹扩展到最后阶段的快速断裂区，此区域灰暗，粗糙，呈撕裂状或粗晶粒状，或在45°角上呈延生剪断（剪切唇）。

轴类的疲劳断裂仅就承载性质而言，可分为：单向弯曲疲劳断口、双向弯曲疲劳断裂、旋转弯曲疲劳断裂、扭转疲劳断裂、接触疲劳断裂和复合应力疲劳断裂等。

二.单向弯曲疲劳断裂

轴在弯曲载荷的作用下，其表面应力最大，中心应力最小，一侧受拉，另一侧受压（图5）。在长期的反复的交替作用下，由于轴的表面经常存在缺口、刀痕、沟槽等缺陷，导致应力集中，从而诱发疲劳

裂纹，成为疲劳源。随着交变应力的继续，疲劳裂纹沿着与正应力相垂直的方向扩展，直至发生突然断裂。其断口与轴线成90°。

单向疲劳断口具有比较典型的疲劳断裂特征，可明显地观察到裂源区、扩展区和粗糙的瞬时断裂区（图6）。

图5 图6

对于有台架转角的轴，其断口往往不是一个平面，而是呈碟状曲面，这是由于圆角根部应力集中的结果（图7）。

从断口上可以看出弯曲载荷的大小，如图8所示。a 为低载荷，b 为高载荷形态，其瞬时断裂区的大小明显不同。

图7

图8 不同载荷下单向

弯曲疲劳断口示意图

另外轴表面无应力集中时，瞬时断裂区载荷较小时，瞬时断裂区较小。而有应力集中，如有台阶、缺口、粗糙的加工刀痕等，瞬时断裂区较大。

三.双向弯曲疲劳断裂

固定心轴承受上下正负两个方向交变弯曲载荷，轴的上小对应都受拉、压两面变化的应力，由此导致的断裂称之为轴双向弯曲疲劳断裂。

双向弯曲疲劳断裂的特征：与单向弯曲疲劳断裂的区别之一是双向弯曲疲劳断面有两个裂源，分别处于在相对的两侧。

如果两个方向上的弯矩幅值相等，则在相对的两个靠近表面的区域内产生疲劳源，并同时向内扩展。两个裂纹扩展深度大致相等（图9a）。

当轴承受到弯矩幅值较低时，两个疲劳源往往不会同时产生。因此两条裂纹的扩展深度将会相差很大（图9b）。

轴上有无应力集中以及应力集中程度的大小，对疲劳断口的形貌影响很大，如图10所示不同载荷水平与应力集中程度下的疲劳断口形貌。

图9

四.旋转弯曲疲劳断裂

1）裂源的形成

轴承受旋转弯曲时，轴上各点均受到拉伸应力和压缩应力的连续交替作用，裂纹可能起源于表面任何一点。

承受载荷不大时，疲劳源往往只在一处生核，并向内部和两侧扩展，而弯曲载荷逆轴的旋转方向移动，此时疲劳裂纹的前沿顺着载荷

的移动方向扩展速率较快，逆载荷移动方向扩展速率较慢，从而导致

裂纹前沿的偏移，使瞬时断裂区往往是向轴旋转的相反方向偏移一个角度，通常偏移角可达15°或更大。

图11 旋转弯曲疲劳断口瞬时 断裂区偏转示意图

2）宏观断口特征：

（1）疲劳裂纹垂直轴向心部扩展，断口上出现疲劳条带；

（2）瞬时断裂区逆轴旋转方向偏转一定角度。

轴上应力大小、应力集中程度不同断口出现不同特点：

a.交变载荷较低，无应力集中的光滑轴往往只产生一个疲劳源，瞬时断裂区在外周。

b.轴有台阶或缺口等应力集中，而且弯曲矩幅值大，则会产生多次疲劳源，且同时扩展，最后形成圆弧疲劳弧线和瞬时断裂区，如图12所示。

图12 多个疲源的旋转断口

承受应力水平高，应力集中又严重时，瞬时断裂区位于中心，则断裂前的交变载荷循环次数一般不会超过万次，其应力水平约为疲劳极限的1.5~2倍。

所以轴上的应力大小、应力集中程度不同，其旋转弯曲疲劳断口也呈现不同的特点（图13）。

图13 应力水平及应力

集中程度对旋转弯曲疲

劳断口形态的影响示意

图

五.轴的扭转疲劳断裂

轴在机械中承担传递扭矩，承受扭转载荷的作用，轴的表面所受到的应力最大，而心部为零，如图14所示。

图14 轴扭转剪应力分布图