趙 云，蒙秋紅，王國安

(1.廣西工學(xué)院，廣西 柳州 545006;2.廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

0 引言

大型設(shè)備中材料與結(jié)構(gòu)的失效往往會造成巨大的經(jīng)濟損失甚至是災(zāi)難性的事故。通過對材料和結(jié)構(gòu)的失效分析研究可達(dá)到預(yù)測、預(yù)防產(chǎn)品失效的目的［1］。軸是機器中的重要零件之一，用來支持旋轉(zhuǎn)的機器零件和傳遞轉(zhuǎn)矩，通常它承受彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷或彎扭復(fù)合載荷，在一些特殊的機構(gòu)中，也承受拉壓載荷［2－3］。軸在工作過程中可能因疲勞、扭轉(zhuǎn)、彎曲或拉伸應(yīng)力而發(fā)生斷裂失效，而在其斷裂失效形式中，疲勞斷裂最為普遍［3］?；蒲b載機輪邊軸是裝載機行走機構(gòu)中傳動部分的關(guān)鍵零件，對裝載機的正常使用有重要的意義。

某廠生產(chǎn)的輪邊軸在工業(yè)試驗過程中，一臺機上4根軸中有3根發(fā)生斷裂。失效的輪邊軸工作時間為250～300 h，屬于早期的疲勞斷裂失效。輪邊軸的材料牌號為40Cr，毛坯為鍛件。輪邊軸的裝配及受力情況見圖1，在工作過程中，車輪和鏈輪繞軸做360°的轉(zhuǎn)動，同時，輪邊軸承受軸承、鏈輪等的壓力;因此，輪邊軸在工作中主要承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷。

輪邊軸的生產(chǎn)工序為:坯料鍛造→調(diào)質(zhì)→粗車→精車→中頻感應(yīng)淬火→磨削加工。輪邊軸的熱處理工序加工要求為:1)調(diào)質(zhì)處理:硬度達(dá)到255～302 HB;2)中頻感應(yīng)淬火:桿部硬化層深度達(dá)到6～9mm;花鍵根部淬硬層深度不低于5mm，硬度達(dá)到48～55 HRC。

通過對斷裂的輪邊軸進行綜合分析，找出失效原因，為產(chǎn)品技術(shù)改進、新產(chǎn)品的開發(fā)提供依據(jù)，同時為客戶提供高質(zhì)量產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

圖1 輪邊軸裝配及受力示意圖Fig.1 Illustration of assembly and stress of the axle

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

圖2為失效輪邊軸的宏觀形貌，失效件斷裂位置位于靠近法蘭端軸承安裝的定位臺階處，失效件斷裂成法蘭、軸及一小塊碎片3部分。輪邊軸斷口宏觀形貌見圖3，斷口位于截面直徑突變處，該位置過渡圓角為R0.8～1.3，為整個輪邊軸的薄弱位置，斷口最外緣應(yīng)力集中處為疲勞源，斷口較平整區(qū)域為疲勞裂紋擴展區(qū)，隱約可分辨出典型的貝殼狀花樣，其余較粗糙區(qū)域為瞬時斷裂區(qū)。

圖2 失效輪邊軸宏觀形貌Fig.2 Macro appearance of the failed part

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of fracture surface

1.2 化學(xué)成分分析

依據(jù) JB/T 3077—1999［4］《合金鋼結(jié)構(gòu)》，對斷裂的輪邊軸取樣進行化學(xué)成分檢驗，測得主要元素的含量結(jié)果見表1，可知，試樣元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 硬度檢驗

依據(jù) JB/T 9204—2008［5］《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗》，對失效件取樣進行硬度檢驗，淬硬層硬度分布檢驗結(jié)果見表2。結(jié)果表明，表面淬火硬化層深度僅為0.67mm，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計要求。

表1 化學(xué)成分檢驗結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Results of chemical composition analysis(mass fraction/%)

表2 淬硬層硬度分布Table 2 Hardness distribution of hardened zone

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，從斷裂位置沿軸向存在約8mm長的未淬硬區(qū)(圖4)。硬度檢驗結(jié)果見表3，可見未淬硬區(qū)的硬度與心部硬度相當(dāng)。

1.4 金相組織檢查

依據(jù)JB/T 9204—2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗》，對試樣進行金相檢驗，檢驗結(jié)果見表4，淬硬區(qū)表面和心部金相組織照片分別見圖5和圖6。檢查結(jié)果顯示:淬硬區(qū)表面組織為淬火馬氏體組織，屬6級淬火組織;心部組織為粗索氏體+屈氏體+條塊狀鐵素體，屬5級調(diào)質(zhì)組織。

圖4 未淬硬區(qū)及硬化層深度Fig.4 Unquenched area and depth of hardened zone

表3 硬度測量結(jié)果Table 3 Results of hardness analysis

表4 金相檢驗結(jié)果Table 4 Results of metallographic analysis

2 分析與討論

2.1 斷裂性質(zhì)分析

由輪邊軸的受力分析和裝配圖可知，輪邊軸在工作過程中，承受旋轉(zhuǎn)彎曲載荷。斷口位于過渡圓弧處(R0.8～1.3)，軸在尺寸突變處存在應(yīng)力集中，而軸的疲勞破壞往往發(fā)生在此處［6］。在斷口表面，可以觀察到裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)和隱約的貝殼狀花樣，符合疲勞斷口的特征，可以判斷此軸的失效為疲勞斷裂失效。

2.2 斷裂原因分析

由于疲勞裂紋一般萌生于零件表面，因此，零件的疲勞性能與軸表面硬化層深度有著重要的關(guān)系，通過增加硬化層的深度，可提高軸的疲勞強度［7］。設(shè)計要求從軸承定位臺階到花鍵的整個軸表面硬化層深度為6～9mm，實際上，距斷口約8mm的位置起才開始有硬化層深度，且硬化層深度只有0.67mm，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計要求;而從斷口開始沿軸向約8mm長度的范圍沒有進行表面淬火處理，斷口部位強度不足，是導(dǎo)致軸斷裂的主要原因。

軸心部組織為粗索氏體+屈氏體+條塊狀鐵素體，屬5級調(diào)質(zhì)組織，達(dá)不到JB/T 9204—2008《鋼感應(yīng)淬火金相檢驗》4級標(biāo)準(zhǔn)的要求，心部調(diào)質(zhì)組織不良對輪邊軸的斷裂失效起到一定的促進作用。

3 結(jié)論

1)輪邊軸的失效性質(zhì)為早期疲勞斷裂失效;

2)輪邊軸表面沿軸向存在約8mm長的未淬硬區(qū)，疲勞強度不足是導(dǎo)致其斷裂的主要原因;

3)輪邊軸心部調(diào)質(zhì)組織不良對其斷裂失效起到一定的促進作用。

［1］劉高航，劉光明.工程材料與結(jié)構(gòu)的失效及失效分析［J］.失效分析與預(yù)防，2006，1(1):6－9.

［2］楊可偵，程光蘊，李仲生.機械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006:240.

［3］陳惠玲.普通軸類零件失效分析［J］.金屬熱處理，2009，32(7):85－87.

［4］全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 3077—1999合金鋼結(jié)構(gòu)［S］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［5］全國熱處理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員.JB/T 9204—2008鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗［S］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［6］濮良貴，紀(jì)明剛.機械設(shè)計［M］.7版.北京:高等教育出版社，2000:359－360.

［7］蒙秋紅，鄧穎章，張麗.裝載機銷軸斷裂失效［J］.失效分析與預(yù)防，2009，4(3):156－160.