失效论文2

轴类零件失效分析

赵岩

机械科学与工程学院

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

一前言

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。

二轴的弯曲断裂

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；②断裂的裂纹垂直于拉伸应力，而拉伸应力出现在弯曲的一边；③断裂源一般出现于轴的表面上，有时也出现于亚表面处。

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。

三轴的扭转断裂

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。

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。

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 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，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 ]。

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 ]。

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。

四机械零件失效的原因

失效原因有多种，在实际生产中，零件失效很少是由于单一因素引起的，往往是几个因素综合作用的结果。归纳起来可分为设计、材料、加工和安装使用四个方面。可能的原因有如下：

1.设计原因

一是由于设计的结构和形状不合理导致零件失效，如零件的高应力区存在明显的应力集中源（各种尖角、缺口、过小的过渡圆角等；二是对零件的工作条件估计失误，如对工作中可能的过载估计不足，使设计的零件的承载能力不够。

2．材料方面的原因

选材不当是材料方面导致失效的主要原因。最常见的是设计人员仅根据材料的常规性能指标来作出决定，而这些指标根本不能反映出材料所受某种类型失效的搞力；材料本身的缺陷（如缩孔、疏松、气孔、夹杂、微裂纹等）也导致零件失效。3．加工方面原因

由于加工工艺控制不好会造成各种缺陷而引起失效。如热处理工艺控制不当导致过热、脱碳、回火不足等；锻造工艺不良带状组织、过热或过烧现象等；冷加工工艺不良造成光洁度太低，刀痕过深、磨削裂纹等都可导致零件的失效。

有些零件加工不当造成的缺陷与零件设计有很大的关系，如热处理时的某些缺陷。零件外形和结构设计不合理会促使热处理缺陷的产生（如变形、开裂）。为避免或减少零件淬火时发生或开裂，设计零件时应注意：截面厚薄不均匀，否则容易在薄避处易开裂；结构对称，尽量采用封闭结构以免发生大的变形；变截面处均匀过渡，防止应力集中。

4．安装使用与失效

零件安装时，配合过紧、过松、对中不良、固定不紧等，或操作不当均可造成使用过程中失效。

五、零件失效分析的方法步骤

1．现场调查研究

这是十分关键的一步。尽量仔细收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，从而确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位。

2．详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计图纸、加工方式及使用情况。

3．对所选定的试样进行宏观和微观分析，确定失效的发源点和失效的方式。扫描电镜断口分析确定失效发源地和失效方式；金相分析，确定材料的内部质量。

4．测定样品的有关数据：性能测试、组织分析、化学成份分析及无损探伤等。

5．断裂力学分析。

6．最后综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出分析报告。

工程材料中应用较多的是金属材料，具有强度高、韧性好、疲劳抗力高等优良性能，用来制造各种重要的机器零件和工程结构件。

机床零件的选材分析

机床零件的品种繁多，按结构特点、功用和受载特点可分为：轴类零件、齿轮类零件、机床导轨等。

1．机床轴类零件的选材

机床主轴是机床中最主要的轴类零件。机床类型不同，主轴的工作条件也不一样。根据主轴工作时所受载荷的大小和类型，大体上可以分为四类：（1）轻载主轴。工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，例如普通车床的主轴。这类轴一般用45钢制造，经调质或正火处理，在要求耐磨的部位采用高频表面淬火强化。

（2）中载主轴。中等载荷，磨损较严重，有一定的冲击载荷，例如铣床主轴。一般用合金调质钢制造，如40Cr钢，经调质处理，要求耐磨部位进行表面淬火强化。