失效论文

轴类零件失效分析

摘要：对工程中普通轴类零件的断裂失效机理和原因进行了分析，阐述了轴弯曲和扭转断裂的特征、裂纹萌生部位及扩展方向。为设计、选材、冶金质量和工艺研究提出解决问题的方向。

关键词：轴失效应力断裂

0 前言

轴一般是作为传递力的构件，通常它承受弯曲载荷、扭转载荷或弯扭复合载荷,在一些机构中轴也承受拉压载荷。轴在工作过程中可以因疲劳、弯曲、扭转或拉伸应力而断裂，但疲劳断裂是轴的普遍断裂形式。轴上附着装配其它零件的位置往往是危险的部位，破坏可能由此产生。

1 轴的弯曲断裂

轴弯曲断裂不论是由简单过载荷引起的，还是由疲劳载荷而引起的，都有着相同的应力取向。弯曲应力引起的断裂有3个明显的特征[ 1 ]：①最大施加应力位于轴的表面(图1)；②断裂的裂纹垂直于拉伸应力（图2），而拉伸应力出现在弯曲的一边(图3)；③断裂源一般出现于轴的表面上，有时也出现于亚表面处。

图1 轴弯曲断裂时裂纹产生和扩展的方向示意图

图2 尖锐圆角轴疲劳断裂时的蝶形断口示意图

图3 轴弯曲时的轴向应力分布

图1显示柱状轴和阶梯轴在单向弯曲过载荷中裂纹是怎样取向的。应力峰台阶或刀痕起着限定弯曲裂纹位置的作用。因为在应力峰处应力最高，裂纹往往在此萌生。

无旋转的反复弯曲疲劳的轴，裂纹在轴的两个对边产生，因为每一边都经受交替拉伸和压缩应力，它们所受的力，其状态是均等的。

旋转弯曲疲劳中，裂纹萌生于围绕圆周的任一位置。在较高应力或较高应力集中下，裂纹可能在周围多个位置上萌生。

例如[ 2]，有一减顶泵，泵轴材料为3Cr13马氏体不锈钢，在工作过程中承受着一个交变的旋转弯曲载荷作用，在泵轴键槽底部的蚀坑处发生断裂。断口明显地分为三个区：裂纹起始区、扩展区及瞬时静断区。图4为断口三区示意图，扩展区有河流状花样，没有明显的塑性变形迹象，属于脆性断裂。所以失效泵轴的断裂，是在交变载荷的作用下，在泵轴键槽底部表面的蚀坑处，产生了严重的缺口效应，形成很高的局部应力集中，而引起的疲劳断裂。

图4 断口三区示意图

2 轴的扭转断裂

可能引起扭转破坏的轴包括曲轴、扭转棒的扭转轴。键轴或花键轴以及在柱面上具有孔洞的轴，在过载荷时也可以造成扭转破坏。

2、1 扭转载荷的特征

一根轴或其它柱状构件，在纯扭转负荷下的应力系有五个重要的特征[ 3 ]：①有两个方位的平面形成最大剪切应力。一个平面垂直于轴线，另一个平面平行于轴线。②有两个方位的平面出现最大正应力。这两个平面都位于与轴线呈45°角上，两者相互垂直。最大拉应力作用在一组平面上，而最大压应力作用在另一组平面上。

③所有最大应力（剪应力、拉压应力）的数值彼此相等。④所有主应力在轴的表面上为最大值，而在轴心为零。⑤在最大剪切面上无正应力作用，相反，在最大主应力平面上无剪应力作用。

扭转轴上的扭转裂纹可以顺着横剪切平面或纵剪切平面，也可以顺着最大拉应力的对斜面，或者这些平面的综合情况。图5表示轴扭转时的应力分布和裂纹可能产生的位置。

图5 扭转负荷时的应力分布( a)和裂纹产生的位置( b)

由简单扭转过载荷引起的裂纹是在剪切方向上生长，还是在垂直于拉伸方向上生长，主要取决于材料的性能。在塑性材料中，断裂将沿着主横剪切面上出现，也可能沿着纵向剪切面上发展。纵向剪切断裂通常是在锻、轧、拉、挤使轴的组织具有沿纵向方向性时出现。在脆性材料中，裂纹出现在垂直于主拉伸应力，并与轴线成45°角的螺旋面上，就象扭断一根粉笔所出现的断口一样。表1表示扭转断裂的断

口类型和特征。正断型断裂面取向垂直于最大正应力，切断型断裂面取向与最大切应力方向一致而与最大正应力方向约成45°。正断可能是脆性的，也可能是延性的，而切断一般总是延性的[ 4 ]。

2、2 扭转疲劳

扭转疲劳破坏起始于剪切，不是横向剪切应力创始裂纹，就是纵向剪切应力创始裂纹(图6)，然后由于拉伸应力而延伸。但是，以纵向类型更为普遍，因为纵向应

图6 扭转疲劳裂纹始于纵向剪切（a）或横向剪切

（b）（虚线为扭转应力反转时可能呈现的另一种裂纹）

力峰（例如非金属夹杂物或伤痕、键槽等)比横向应力峰更占优势。当有横向刀痕或其它横向缺口起着应力峰作用，裂纹便始于横向剪切。

扭转疲劳断口通常有“台阶式”，“星形”和“剥皮”3种。一般出现台阶式(拉剪混合)，高应力集中时可出现星形(正断)，个别情况可能出现特殊的剥皮状[ 4 ] 。

台阶式断口是一种正断剪切的混合型扭转疲劳断口，破断时始于纵向剪切平面，接着裂纹与起源点呈45°角方向扩展，然后再一次在剪切面上向纵向发展，最后导致断裂。

如果在轴上开有轴向缺口，例如：键槽和花键轴，则键槽的纵向沟槽和花键轴的多重沟槽的尖角处往往产生应力集中，其应力分布如图7所示。裂纹将在尖角处产生，并沿与最大拉伸正应力相垂直的方向扩展。特别是花键轴，可能在各个尖角处都形成疲劳核心，这时它们各自沿着与正应力相垂直的方向扩展，并在轴的中心汇合，形成星形断面[ 5 ]。

图7 花键轴、键槽裂纹扩展方向(与正应力线相垂直)

在键槽轴中，当裂纹起源于键槽底角，或近键槽边缘，并平行于表面剪切扩展，则形成剥皮式断裂。有时裂纹扩展方向恒定，裂纹完全环绕于轴的表面以下生长，最终到达产生裂纹的近键槽处，于是表面完全被剥离，形成剥壳状或管状脱落[ 6 ]。图8为剥皮断裂示意图。

图8 剥皮断裂示意图

例如[ 7 ]，某发电机上的轴与柴油机联轴器连接,在运行了167 h后，轴与联轴器连接的轴伸处的键槽发生开裂[ 5 ]，该轴在运转过程中，于键槽应力集中部位萌生多个裂纹源，同时轴受扭转等复合应力的作用，使得多源的裂纹同时快速扩展，最终导致多源扭转疲劳断裂。

3 结语

实际金属构件的失效分析,是一件非常重要的工作，它对于确定金属构件的失效原因，并提出今后防止事故的再次产生的措施具有重要的作用。金属构件的失效分析往往并不局限于解决个别金属构件的具体问题，而且能为设计、选材、冶金质量和工艺研究提出解决问题的方向。金属构件的失效分析在技术上的综合性很强，需要运用多种技术的设备。断口分析在构件失效分析中是非常重要的，但决不是唯一的，还必须与金相、化学成分分析及力学性能的试验、计算等方面相结合，才能获得全面和正确的结论。

参考文献：

[ 1 ] 上海交通大学. 金属断口分析编写组. 金属断口分析[M ]. 北京:国防工业出版社, 1979: 6.

[ 2 ] 王丽娟,等. 泵轴断裂原因分析[ J ]. 辽宁石油化工大学学报, 2005 (3) : 42247. [ 3 ] 廖景娱. 金属构件失效分析[M ]. 北京:化学工业出版社,2003.

[ 4 ] 温建强. 机械零件失效分析方法和程序[J]. 内燃机配件, 2008,(04)

[ 5 ] 王玉伏,等. 汽车变速箱轴断裂分析[ J ]. 武汉工业大学学报, 1998 (9) : 77279. [ 6 ] 李家宝. 钢铁材料的断裂研究和失效分析[M ]. 北京:机械工业出版社, 1983.

[ 7 ] 王春亮,等. 电机连接轴失效分析[ J ]. 理化检验2物理分册, 2005, 41 (11) : 5812584.