轴失效学习教程.pptx

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1、断裂源 轴件失效起始于一些应力集中的部位。1设计结构：键槽的端部、压配合件的边缘处、轴肩处的圆角和加油孔的边缘处。2加工过程产生的应力集中包括磨削损伤、机械加工的痕迹或刻痕和热处理产生的淬火裂纹。3（轴锻造成的）锻造产生应力集中源包括：表面的不连续性缺陷（如折叠、接缝、凹坑和表面下的缺陷（如破裂）4表面下的应力集中源可能是锻制轴件所用钢的凝固时造成的，一般它们是内部的不连续性缺陷，如缩管、偏析、疏松、皱缩和非金属夹杂物。5断裂也可能由于轴承不对中引起，6个别情况下，轴件也可能由于错用了材料而引起断裂。第1页/共60页失效轴件的检验一般思路 当检验一个失效的轴时，通常希望收集到尽可能多的有关该轴

2、件的历史背景资料：1设计参数：轴件的零件图和装备图，以及材料和试验技术规范。注意潜在应力提升源或应力集中点，还需要注意材料类型、机械性能、热处理、实验场所以及所用的非破坏检验和其他过程的技术要求。2机械条件：一个轴时如何被支撑或装配在它的工作机构中，以及失效的轴件与其相结合另加你之间的关系。3 工作历史 检查轴组合件的工作记录能了解到部件的安装。投入运转、检修和检查的日期。了解这些详细资料后有助于指导研究失效的方向和改进措施。第2页/共60页初始检验：清洗、检验表面，确定大致失效范围和部位，注意任何一个可能的应力集中部位；确定是否存在有一种或多种断裂机制的迹象，表面有无次生裂纹、凹坑或缺陷；进

3、行照相以记录。宏观检验：确定断裂类型（韧性、脆性等）；在研究疲劳断裂时，对像海滩标记、条带标记、棘齿标记、快速断裂区以及裂纹起始位置等这些特征的宏观检验。显微检验：在断面取金相试样，以便对断裂途径（穿or沿）进行分类，辨识裂纹萌生位置。金相检验还可显示出邻近断裂表面的金相组织、材料的晶粒度和存在的偏析、夹杂物、合金偏聚、晶界脆性相、脱碳和加工缺陷等。扫描电镜和投射电镜检验：可根据断裂途径（穿、沿）、断裂机制（显微空穴聚合、撕裂、解理、疲劳）和断裂特征（韧窝、撕裂脊、河流花样、羽毛状、解理舌）对断裂进行分类。物理试验和化学分析：有时，失效的主要原因是错用材料、热处理不当或在工作过程中性能发生变化

4、。第3页/共60页作用在轴上的应力系拉伸：塑性：发生很大变形（伸长和缩颈），由芯部发生并逐步向表面扩展，最后与轴成45度角，以锥形剪切唇形式断裂。脆性：断裂大体上垂直与拉应力方向，断口常常时粗糙的并且具有结晶状形貌。扭转：塑性：引起很大变形（但不明显，因为轴没有变形，显微滑移），断裂通常在垂直轴向的横截面上发生。在纯扭转时，最后断裂区在轴的芯部。脆性：断裂方向垂直于拉升应力，与轴向成45，最后断裂常呈螺旋状。压缩：引起很大变形，将沿垂直于最大拉应力的方向断裂。弯曲：当一轴受到弯曲应力是，中间凸起的表面处于拉升应力状态，下凹的表面则处于压缩应力状态。第4页/共60页第5页/共60页疲劳失效轴的疲

5、劳通常可分为三种基本类型：1弯曲疲劳，2扭转疲劳，3轴向疲劳。弯曲疲劳又由弯曲载荷分为：1单向的弯曲疲劳2交变的弯曲疲劳3旋转的弯曲疲劳第6页/共60页单向弯曲疲劳 承受沿长度均匀分布的变动单向弯矩的静止圆杆或轴件中，可根据一些局部应力提升源，确定疲劳源的轴向位置。图A、B中表明具有单一的裂纹源，海滩标记以裂纹源相互对称，整个保持凹入弧形，在图A中所示的单一裂纹源和较小的最终断裂区，说明公称应力是较低的，图B中较大的最后断裂区则说明公称应力较高。图C为几条单一裂纹源的典型疲劳。这些裂纹最后汇合形成单一裂纹前沿，这类多裂纹源的情况通常表面高公称应力。当存在中等应力集中情况时，在较低公称应力下，断

6、裂前沿从凹入形转为凸出性（图D），在较高公称应力时，最后断裂之前，裂纹前沿变得平直，也可能不变为凸出形（E F）.图 G H F 截面上产生严重应力集中时第7页/共60页第8页/共60页反向弯曲疲劳（交变）当所加的弯矩是反向时，轴上所有各点均承受交变的拉应力和压应力。当弯曲平面一侧各点处于拉伸状态时，相反的另一侧各点则处于压缩状态。对于沿长度承受均匀分布反向弯曲的固定轴，在其表面上的典型的疲劳标记如图所示：a无应力集中b 中等应力集中c严重应力集中第9页/共60页旋转弯曲疲劳特点：1周缘上每一点都经受拉应力和压应力 2裂纹前沿通常绕着轴线旋转约15或15以上如图 a c3裂纹可能发生在圆周上人

7、一点 如图 B D第10页/共60页例1 A8工具钢轴的单向弯曲疲劳失效，疲劳起源于截面急剧变化处的非金属夹杂物第11页/共60页历史背景：此轴为一工作台上夹紧装置一部分，用来将外径2.25in的棺材弯成半径33/8in的弯度，工作台有这样的两条轴，最大夹持力是120000NB，材料为易切削级别的A6工具钢。运行中的件承受压应力和弯曲应力，当棺材向右弯曲时，单向弯曲应力作用在一条轴上，面向弯管时应力则作用在另一轴上。每小时约向左弯曲45次，向右弯曲45次，在轴件失效之前总弯曲次数不详。轴上承受的拉应力也是周期性的，因为在每次压弯之后要去掉夹持力。宏观观察：断裂表面存在有一光滑区域和一粗糙颗粒状

8、区域（见图视图B），暗淡光滑表面是典型的疲劳断口（贝纹线被摩擦掉），断裂表面光滑部分的海滩标记也表面为疲劳断裂。粗糙光亮的结晶状区域是最后断裂区。光滑组织的疲劳区相对地大于结晶状组织的最后断裂区，这表明轴承受的应力较低，应力集中较小。单边凹入的最后断裂表面说明，轴承受单一方向的弯曲载荷。分析鉴定：在失效轴的芯部截取试样，经分析表明成分在技术要求范围之内，钢的平均硬度为HRC48。钢的显微组织为细微分散的回火马氏体，并夹杂有拉长的带状硫化猛。还存有球状白色质点（M8C碳化物）。高倍下观察发现断裂表面边缘有少量非金属氧化物硫化物偏析。疲劳裂纹萌生与截面变化处圆角半径0.01in（见图A-A剖面“原

9、设计”），在非金属夹杂物附近形核，而夹杂物则在圆角的关键部位与表面相交。结论 轴的疲劳断裂是由低的过应力，高的交变单向弯曲载荷而引起的。因为截面变化处的圆角半径过小产生了应力集中，它与处于圆角处表面的氧化物硫化物夹杂物的共同作用促进开裂。改进措施 新轴的截面变化处的圆角半径改为3/32in(见图A-A剖面的“改进设计”)。较大半径的圆角可减少在这个区域的应力集中，因而可防止轴的再次失效。第12页/共60页 旋转弯曲疲劳和扭转切变而断裂的轴的区别图A所示为疲劳断口：棘轮标记和明显的海滩标记图B中看不到海滩标记（摩擦掉了），周缘存在棘轮标记则说明是旋转弯曲疲劳。图C中断裂表面金属为粘污不清的形貌表

10、示有扭转切变。图D所示断口与疲劳断口相似，但是扭转切变，因为全部断裂表面光滑，且无轮廓明显的最后断裂区第13页/共60页第14页/共60页扭转疲劳 由扭转应力引起的疲劳裂纹如同由弯曲应力产生的一样，都显示海滩标记和山脊状花样。对纵向应力提升源比较敏感，因为扭转疲劳裂纹萌生于纵向夹杂物、表面刻痕、花键或键槽棱角，然后以45角分叉。当存在一个周向沟槽类应力提升源时，会导致拉应力要增加到切应力的四倍之多，因此在切应力达到钢的抗剪强度之前，在45 平面上的拉应力将超过钢的抗拉强度，断裂将以垂直与45 拉伸平面方向发展，并产生一锥形。第15页/共60页例2第16页/共60页承受循环负载和经常过载的434

11、0钢 大型轴的扭转疲劳断裂 历史背景：轴是由4340钢制成的一大型转子上的转动件，承受循环负载并且经常过载，在运行三周之后断裂。该轴属于减速齿轮系的一部分。主动轴上有一切槽，如果突然发生过高的负载时，轴将在该处发生断裂，这样可防止昂贵的齿轮机构受到损伤。转子承受剧烈振动，由频率为每秒三次的小量过载所造成。分析鉴定 检验表面，轴在切槽处断裂，断裂表面包括一种星形花样，如图7B所示。图7C表示将碎片按放于原位的断裂表面。这些碎片的尺寸和形状几乎是相同的，并且每碎片上具有疲劳、解理和剪切失效的迹象，且处在近似的相同位置。裂纹大约与轴中心线成45平面的拉应力所引起的，而不是由纵向或横向的剪应力。检查断

12、裂轴的碎片和表面发现，在切槽的最小直径处有一些纵向的和横向的剪切裂纹，在与这些裂纹相邻的金属中发生了轻微的塑性变形，说明在一些裂纹生长到临界尺寸之前，已在轴的切槽中的许多地方发生了开裂。在切槽中任一剪切裂纹处都没有表面不规则性，金属组织是正常的，横截面上的硬度均匀，为HRC3030.5.这表明对于淬火和回火的4340钢轴的强度是正常的，经热酸侵蚀表明，钢中无缩孔、偏析或者不正常的不均匀性。结论 主要失效机制为扭转疲劳断裂，它起始于许多表面剪切裂纹处，纵向的横向的均有，沿切槽根部的周边扩展。这些剪切裂纹是由振动引起的高峰值载荷所造成的。应力集中在最大剪力区，疲劳裂纹则沿垂直最大拉应力的方向扩展，

13、因而在与轴的纵向成45的方向形成星形花样。为防止齿轮系受损伤而设计的轴上切槽，已起到了它的作用，只是起作用时的过负载程度比预期的要低些。改进措施 对切槽进行喷丸处理以提高轴的疲劳强度，并将机器的振动减低到最小限度。第17页/共60页接触疲劳 当构件处在高接触压力和交变载荷作用下，彼此之间发生相对运动或滚动加滑动时，就会产生接触疲劳，经多次重服加载之后就会剥落，这是出于施加交变接触应力而发生金属疲劳的结果。影响因素：接触应力、材料性能和接触表面的冶金。物理和化学特征，其中包括润滑表面和油膜。第18页/共60页磨损：磨粒磨损和粘着磨损磨粒磨损：按照切削机制切去表面材料，其结果可能减小轴的尺寸和破坏

14、原来的形状。因此，轴既可由于诸如断裂的方式亦可能由于不再能完成其设计功能而失效。润滑剂中的砂粒、灰尘和其他的碎片等一类的外加质点都能引起轴的磨损。粘着磨损:粘着磨损有表面被撕裂的特有的形貌，两表面先焊合在一起，随后连续运动再被撕裂开，在两表面上造成一系列的裂纹。因为产生过多的摩擦热，粘着磨损常常伴随有金属组织的变化。第19页/共60页例3第20页/共60页油泵驱动轴因为存在沙粒、金属质点和损动而磨损失效 历史背景：涡轮航空发动机的燃油泵发生失效，导致飞机受到损伤。这是一个特殊型号的燃油泵，它有磨损失效的经历并已重新设计。它与经过表面硬化的钢轴配合在一起。在运行中振动经常存在，但在一般情况下不是

15、过于严重。分析鉴定 当泵在实验室拆卸时，泵和过滤器都是干燥的，不存在任何碎片或污物，只是在过滤筒上有少量沉积物。连接叶轮的主动轴的花键直到根部几乎全部毁坏（见图8中的详图A）。花键明显大范围的损伤，因为在随后的装配时，轴能转动而叶轮不动。叶轮的每个花键齿的受压侧也显示出有些损伤。在花键齿部受压面一侧，齿面的凹槽孔洞都比较光滑，这表面损伤不是由在花键之间的金属接触磨损引起的，而是由冲蚀或者磨粒磨损机制造成的。主动轴上几处轴向部位的硬度表面，硬度相当均匀，均接近HV570。叶轮和挡圈的硬度都接近HV780。叶轮四周的部件（包括叶片）硬度约HV530。叶轮金属的显微组织显示出分散性孔隙和碳化物颗粒，

16、说明是烧结粉末冶金压制物。通过对损伤花键的截面和相同的花键上邻近的末损伤部分的剖面金相检验，末发现材料缺陷。显微组织表明，轴的淬火和回火处理是合适的，但是，没有观察到花键进行表面硬化处理的迹象（对于这类轴通常是要进行热处理的）。花键的磨损表面显示出在棱边上有冷作硬化的特征。但是，在每个齿的中心存在有比较光滑的磨损面，这表面不存在冷作硬化，并且是由磨损作用面引起的。每个花键受损伤一侧呈现出上面带有一些凹槽的波浪行轮廓，而不是锯齿状或其它畸形。过滤筒上的残渣是褐色的，用低分辨率显微镜观察时，能够辨认出有沙粒、油漆、塑料、从筒体脱落下来的纤维、黄铜和钢等。用磁铁检验试样的结果表明，其中含有大量的铁。

17、化学分析指出，这种沉积物含有大约20的砂，30的铁和3的有机材料（油漆、塑料和过滤器纤维）讨论：在燃油泵中振动可能引起损伤，特别是当它与磨损作用相结合时。在这种情况下，微振磨损或磨粒磨损可能发生在磨损抗力不足的滑动接触表明上，从过滤器中得到的残渣含有相当数量的砂粒和铁，铁很可能是从损伤的轴而来。检验结果指出，主动轴上的花键因磨损而受到损伤，这种损伤可能是由于振动和磨粒的共同作用所造成，磨粒包括砂粒和从花键上分离下来的金属质点等。同样的作用也将损伤叶轮的内花键，但比较轻微，应为它的硬度较高，因而有较大的磨损抗力。但是，内花键常显示出受到较大的损伤。这显然是冲蚀作用的结果。因此，内花键常受到轻微的

18、磨损损伤，而受到较大的冲蚀损伤。结论：轴的失效是花键过度磨损的结果，磨损则由振动和砂粒与金属质点的磨损作用引起。第21页/共60页轴件的腐蚀 腐蚀能显著减少其使用寿命。腐蚀可能产生麻点、去掉一层金属，或者在表面覆盖一层锈皮或其他腐蚀产物。腐蚀对轴的载荷传送能力影响较小，但是它们可起到应力集中点的作用，这些地方可能萌生疲劳裂纹。应力-腐蚀开裂 由腐蚀和扩展裂纹尖端的应力联合作用的结果；应力-腐蚀开裂常与表面点蚀同时发生或在其之后发生，但不常存在一般腐蚀中。第22页/共60页腐蚀疲劳 当腐蚀和一交变应力（两者均不足以单独引起失效）同时存在并可能造成失效时，就是腐蚀疲劳。一旦这种条件存在，则轴的寿命

19、可能是几天或几周，而不是几年。腐蚀疲劳开裂特点：通常是穿晶的，也发生裂纹分支，尽管一般不像在应力-腐蚀开裂时那么多。腐蚀产物常存在于裂纹中（常存在裂纹尖端和裂纹源附近区域）。第23页/共60页轴件的微振磨蚀 轴件的微振磨蚀可能是它严重损伤的一个原因，产生淡红棕色粉末是钢件微振磨蚀的特征。微振磨蚀的典型部位是花键、键固定的轮毅处、轴压配合或热压配合零件上和加紧连接件上。喷丸硬化、喷玻璃珠硬化和表面滚压等方法都可以用来防止轴因连接件的微振磨蚀而疲劳断裂。第24页/共60页轴件常见的应力提升源应力提升源的类型1 轴件行形状上的不均匀性，例如在直径变化处的台阶。宽大整体轴环、孔洞、陡角、键槽、沟槽、螺

20、纹、花键和压配合或热压配合件。2 由加工制造或工作中损伤所造成的表面不连续性缺陷，例如裂缝、裂痕、缺口、刀痕、商标、锻造折叠和裂缝、麻点和腐蚀。3 内部的不连续缺陷，如疏松、缩孔、粗大的非金属夹杂物，裂纹和白点。大多数轴件的失效起源于主要应力提升源（第一类）,但是，次要应力提升源（第二类或第三类）也可能引起失效。第25页/共60页轴径变化的影响 轴的直径变化能引起应力集中，并且是在直径变化处较小直径的部分。一种截面突然变化和三种逐渐变化对应力集中的影响示意地表现在图中。在图A中，轴肩与轴相交处的尖角产生较大的应力集中。图D中所示的大半径圆角使应力通过时受到最小限制。但是，圆角必须同小直径部分相

21、切。第26页/共60页例 4一球环式煤粉机的6150钢制主轴疲劳断裂（经过摩擦焊修复的二次断裂）第27页/共60页历史背景：粉碎机如图所示，下磨环按在主轴上，上磨环由弹簧吊在一十字架上，支架则连在主轴上，上磨环的重量和有弹簧施加的压力可达18000lb，总作用力加到粉碎机魔球上。轴由6150钢制成，经正火，硬度大约bhn285。分析鉴定：操作者发现机器有不正常噪音，马上停止检查，经目视检查发现主轴上有一周向裂纹，且恰好处在上径向轴承下方轴径突变处。为进行焊补，将轴安在车床上车去裂纹，发现轴的小端（7in）与其余部分有一定偏心，在加工1/4in深度后裂纹还未消失，敲打轴小端裂纹便张开，在距轴1/

22、2in处断裂。对断裂表面（图B）的检验发现有一早期裂纹，几乎垂直于轴的轴线方向，这是扭转载荷沿最大剪切面作用的结果。虽然轴只在82rpm的较低速度下运转，在轴的上支架和上磨环重量作用下，使轴以摩擦焊方式进行自修补。修补带宽度约1in,仅限于7in直径横截面的一小部分。断裂表面的中心区域（见图B）由于摩擦热而使金属软化，加以轴下部的转动，就形成了漩涡状区域。对切削表面的检验显示出可见裂纹相平行的许多微细裂纹，这些微细线条通常是沿大晶粒带分布，可以认为是疲劳裂纹。轴的摩擦焊区的硬度为HRC38-49，而自焊接区内向，硬度则降低至HRC31-33。结论：轴的二次断裂是由于摩擦焊之后的偏心条件和机器的

23、固有振动而产生疲劳所致。同一工厂其他煤粉机的轴，经相近的工作时间也在同一区域中发生断裂。改进措施：对轴采用焊接方法进行修理，去除轴上的疲劳裂纹，对轴的两种直径部分之间加工呈锥形，不像原设计中直径突变的形状，要使锥形部分和较小直径部分适当配合，不存在尖锐棱角。第28页/共60页压配合构件 齿轮、滑轮、转轴、涡轮以及类似的构件常以压配合或热装配的方式安装在构件上，这样，就可能由于弯曲应力产生应力提升源。压配合件中一平滑轴的典型应力流线如图A所示，轴肩处的小半径圆角将产生类似图 A所示应力分布场。将配合件中的轴加粗，并采用大半径圆角，则产生的应力分布如图B所示。第29页/共60页第30页/共60页纵

24、向沟槽 像花键槽和花键等轴上的纵向沟槽是承受扭转应力轴件的许多工作失效的发源地。这类失效的大多数是在尖角处，因应力集中而萌生小裂纹造成疲劳断裂。在工作应力循环作用下，裂纹逐渐扩展，直到残余截而断裂时为止。第31页/共60页 在用键使构件与轴配合的组合件中，几乎所有的交变扭转都是经过键来传递的，造成的裂纹是从轴的键槽底部的边缘萌生，且产生鳞剥型式的断裂（见照片A）。有时，鳞剥发展到轴的整个圆周，并产生如图B所示的刃形的薄壳。第32页/共60页 带有键槽成花键的轴中的应力场和相应的扭转疲劳裂纹已示于下图，在图A中 键槽一个拐角切削成圆角而另一个拐角是尖角，结果产生了一条裂纹；可以看到此裂纹几乎是按

25、垂直与原来应力场的方向发展。在图B中，键槽的两个拐角都是尖锐的，结果产生不是沿着原来的应力场方向的两条裂纹，此情况的裂纹时由于应力场交叉效果造成的。承受交变扭转力的花键轴，可能沿着花键底部的边角开裂，如图C所示，这是强烈的局部应力场对裂纹发展强烈影响情况。第33页/共60页例5齿轮状联轴节引起的交变应力所造成的4340钢压缩机轴的疲劳开裂第34页/共60页第35页/共60页历史背景：某厂利用大马力电动机带动生产上需要的大压缩机组，八个压缩机的轴都是用4340钢制造，淬火并回火到HRC35-39，并且采用齿轮状联轴节，压缩机运动功率在4000hp-5000hp之间，轴件和键槽的设计如图，两个键彼

26、此180隔开，用来传递载荷。在运行八个月后，八个压缩机轴中的六个键槽内部发现有裂纹，并且其中之一已经断裂。分析鉴定：目视检查断裂轴件，发现裂纹是从一个键槽处开始发展，在键槽拐角处萌生的裂纹朝向表面发展，如图A所示。如图A-A剖面所示，裂纹是从键槽的拐角且围绕着轴的周向扩展，但是停留在表面附近，这种类型的开裂是在轴与联轴节之间有滑动时产生。在键槽内及其附近的轴件表面发现有微振磨损。键已经损坏，表面有滑动发生，键的无载荷的一侧也存在微振磨损，这意味着有相当大的颤动存在，微振磨损会显著地减少轴件金属的疲劳极限并导致疲劳裂纹的萌生。检查断裂轴，发现在1/8in倒圆的键槽拐角（图B箭头）四周有海滩标记，

27、表明疲劳裂纹是在拐角倒圆处萌生的，并且横向扩展穿过轴件。如图C所示，在断裂的键上也发现有类似的疲劳标记，它是从一个拐角（箭头处）呈放射状发展。疲劳裂纹的扩展是反复冲击载荷的结果。材料的化学成分正常，硬度分布表明轴件的金属硬度在容许范围内。高的交变弯曲应力是电动机和压缩机之间的不对中产生，弯曲应力通过齿轮联轴节传递给轴。用挠性圆盘型联轴节对轴件的测量表面弯曲应力小于1000psl。结论：轴件失效是萌生于键槽拐角倒圆处的疲劳裂纹所致，引起键槽内微振磨损和疲劳裂纹的交变应力是电动机和压缩机之间不对中所产生的弯曲应力造成的，交变应力通过齿轮型联轴节传递给轴。改进措施：将能传送所需马力的挠性圆盘型联轴节

28、安装在轴件。在30004000hp下运行3年，轴件和键均未发生失效。第36页/共60页加工过程的影响加工产生应力提升源情况包括：1 产生应力提升源的加工过程，如刀痕和表面刮伤。2 在零件表面产生高拉应力的加工过程，如不适当的研磨、补焊、电加工和电弧灼伤；3 使金属弱化的过程，如不与表面平行的锻造流线、电镀产生的氢脆、热处理产生的脱碳。给予轴件表面以高的残余压应力。能使疲劳强度增大，这可通过表面滚压或磨光、抛丸、滚光、精压或感应强化来实现。第37页/共60页例6热整形时产生的应力提升源导致4140钢锻制的曲轴疲劳开裂第38页/共60页第39页/共60页历史背景：如图为纺织机曲轴，材料为4140钢

29、，加工工艺：切料-热弯成型-镦锻-飞边热整形-热压-目视检查-发货，一些曲轴工作1-3年后，因一曲柄臂的横向断裂而失效。预期寿命是连续工作20年。对一个已断裂的锻件（1#）和带有一段轴的断裂曲柄臂（2#）进行分析，以确定断裂原因。分析鉴定：两个曲轴的目视检查都发现有疲劳失效的特征，但是疲劳源不易看到，如图B中所示（洁净的细晶粒组织）。如图C D所示，在曲柄臂表面发现带有飞边热整形和粗磨所产生的粗糙沟纹的分型线，2#锻件上这种标记最为严重。制备纵向和横向剖面样，用盐酸侵蚀，钢的质量是好的，夹杂物数量正常，没有偏析和缩管。抛光态检验，无晶间氧化，用10%硫酸和10硝酸侵蚀，未发现钢件有烧伤和过热的

30、迹象。在1#锻件上曲柄臂外侧面发现有一块区域有一些浅的表面折叠（图E)，如图F所示，折叠周围的金属含有铁素体，锻件表面有轻微脱碳，疲劳裂纹就是在折叠中萌生，并扩展穿过曲柄臂。锻件材料成分正常，硬度在HRC1922范围内，锻件的机械性能符合要求，显微组织时回火贝氏体，晶粒度大小为ASTM68级。结论：两个曲轴中一个曲柄臂的横向断裂时疲劳开裂造成的，在1#曲轴中，疲劳裂纹萌生在一个浅的热加工缺陷，2#曲柄上，锻件飞边热整形或粗磨的粗糙表面则是疲劳裂纹的萌生点。改进措施：在机加工前，锻件进行正火，淬火并回火到HRC2830,以增加疲劳强度，用磁粉法检查曲轴表面，浅的折叠、缺口或特别粗糙的表面都应仔细

31、地予以磨掉。第40页/共60页识别标记 为了表明制造日期、批量号、熔炼炉号、尺寸或零件号等而在轴上打印的识别标记都可能产生较大的应力。标记的位置和打印的方法也很重要，不应把认别标记打印在高弯曲应力和高扭转应力部位。第41页/共60页例7 4337钢制活节杆的疲劳断裂发生在电刻的数码上第42页/共60页历史背景：航空发动机的活节杆在大修后运行了138小时便发生断裂，总运行时间不详，杆件由4337钢锻件制造，并经淬火和回火到HRC36-40。分析鉴定：目视检查发现杆件被破坏成两段，其破坏位置距活塞-销-衬套内膛中心处，断裂是在一个凸缘表面的电刻数码5处萌生的（图B点），围绕核心是一系列同心状海滩标

32、记（图A和C）,他们几乎扩展到凸缘的全部宽度，占腹板宽度的一半。将整个断裂区的断面抛光侵蚀，金相检验显示出一个缺口（图b E处），它是在电刻时的电弧灼伤引起的。裂纹源处的金相组织由重熔区（图b中的D）和一层深为0.015in的未回火的马氏体（图b中的E）。在重熔区中观察到的小裂纹是电刻时的高温所产生的热应力造成。未回火的马氏体的硬度为HRC56，而芯部为回火马氏体硬度为HRC40。杆的硬度也是HRC40。远离电刻区的显微组织是回火马氏体，表面材料已经过正常热处理。结论：杆件的疲劳断裂源是由于凸缘处电刻产生的冶金缺口引起的。改进措施：活节杆识别标记不再继续采用电刻的办法，因为电刻对这种高应力的零

33、件有不利的影响。第43页/共60页表面残余应力 大多数机械加工都产生缺口，平且也可能在工件表面上造成残余拉应力，研磨可导致局部高温加热，而在工件表面与磨轮分开时有继之以速冷。因而磨削裂纹得以形成，这些裂纹提供了疲劳裂纹的起源点。电火花加工也会产生表面残余应力，切割时在电极和工件之间连续产生电火花。每个电火花把一个小体积金属加热到熔点以上，大多数熔化的金属可以通过电火花的作用去掉，但熔化金属四周受到急冷，在工件表面残留一层白层（未回火马氏体），并且重新变硬。第44页/共60页例8 A2工具钢滚动工具心轴的疲劳断裂，断裂起源于电火花加工的一个孔洞中所形成的裂纹第45页/共60页历史背景：此心轴滚动

34、工具用来将两根要装入原子反应堆的管子进行机械连接。操作中包括将锆管的一段胀入内径稍大于锆管外径的一个不锈钢圆筒中。因为在将工具拔出时有困难；采用电火花加工，在淬硬心轴的正方形一端钻一个直径1/4in 的孔。心轴是用A2工具钢制成的，它在加工5个滚压接头之后就断裂了。有锥度的一端淬火成HRC60-61，而其余部分为HRC5055.目视检查 断口与方形端上直径1/4IN的孔呈45角，并且扩展到螺纹部分形成一个角锥体行碎片，如图所示。断面上呈现有脆性断裂特征，但是具有清晰的海滩标记。断裂花样则是扭转疲劳断裂特征。断裂起始于方形端的孔两侧(邻近顶部)，如上图断口组织照片（注意孔的表面平整度很差）。放大

35、发现表面粗糙是曾发生熔化的金属造成。金相检验 取通过断裂源的试样进行金相检验,发现孔的周围金属曾发生过熔化，造成一个不规则的末回火马氏体区，并有自孔表面扩展出去的一些放射状裂纹。距孔较远的心部材料的显微组织是细小的回火马氏体+碳化物质点。孔周围的马氏体区的硬度为HRC6870;心部组织的硬度为6061。结论：心轴的失效是由扭转疲劳产生的，裂纹起始于电火花加工的方形端的孔处。裂纹的扩展因材料的硬度而加速进行。改进措施 对心轴方形端的孔重新设计，并在热处理前进行钻孔和扩孔。第46页/共60页装配时的损伤 装配时的操作有时可能造成不同心，这对轴的性能是不利的。当存在诸如深的刮伤或大的非金属夹杂物等应

36、力提升源时，可能萌生疲劳裂纹。如下图所示的组合件中，驱动轴与引伸轴不对中，造成在轴径改变处发生弯曲疲劳断裂。驱动轴从固定安装在机器底座上的齿轮箱中伸出，但是引伸轴是架座支撑的。拧紧架座使引伸轴向下偏移，就会给驱动轴以很大的弯曲应力。第47页/共60页第48页/共60页热处理 大多数轴件的材料机械性能可通过热处理或冷拔得到改善，对于经淬火和回火的直径小于3in的轴件，典型的方法是将马氏体组织回火达到硬度Bhn235或高一些。对于表面应力高且裂纹萌生与之有关的大多数轴件，表面脱碳可能是主要的问题。对于大型的轴，旋转速度常常很高，其内部的离心应力为主要考虑的对象。对于这类轴，热处理应使轴件整个截面有

37、均匀的最适当的强度和韧性。对于有些零件，其回火硬度低于他们可能产生脆性断裂的硬度时，能用氮化产生压应力的硬化层，以改善其疲劳极限。第49页/共60页例9燃油喷射泵调节器的8640钢轴，因疲劳强度不足而疲劳断裂第50页/共60页历史背景:轴如上图所示，它用在卡车或拖拉机中控制柴油机速率的，新安装的调节器中的一些轴仅仅运行几天就断裂。技术规范要求该轴应用8640钢制作，并经热处理使硬度为HRC3236。轴上有一横孔和凹槽，它是一个套管的压力润滑系统的部件，套管在轴上可纵向移动以控制输给发动机的油量。该轴以较高的速度旋转，并承受冲击载荷，因此驱动这种轴的机构包括一个滑动离合器。以免冲击作用传递到调节

38、器轴上。分析鉴定：目视检查，发现裂纹起源于直径为1/8in纵向孔的底部尖锐拐角上，如图B-B剖面所示，在断口上可看到一些海滩标记。进一步研究发现，为了努力降低成本，从驱动机械中去掉了滑动离合器，这就去掉了对调节器轴的减振作用，恢复原来的设计在短时间是不能实现的。从仓库中取出一些轴，进行疲劳试验，发现在凹槽中产生一定程度的应力集中，轴的疲劳极限大约70000psi（应用不够）。为了改善疲劳寿命，进行氮化处理，将疲劳极限提高到110000 psi（够了）。结论：轴件的疲劳断裂时由于从驱动机构中去掉了滑动离合器之后，增加了振动和冲击载荷使应力超过材料的疲劳强度。改进措施：进行氮化处理，并将被套筒覆盖

39、的部分轻轻抛光。第51页/共60页冶金因素的影响1内部的不连续性缺陷：疏松、大的夹杂物、折叠、锻造破裂、白点和中心缩管等在某些条件下将会起应力集中点的作用，并且可能引起疲劳断裂。2表面不连续缺陷：折叠、接缝、冷隔等 第52页/共60页例10 1040钢曲轴因有严重非金属夹杂物偏析而疲劳断裂 第53页/共60页历史背景：当发动机进行检修时，活塞式发动机曲轴运行还不到一年。检验发动机零件时发现，曲轴已严重开裂。将曲轴送往实验室进行全面检验。分析鉴定：主轴颈和曲柄销轴承颈用磁粉检验方法进行检验。主轴颈中至少有4个具有36处1/63/8in长的不连续缺陷，但是都比较短，一个主轴颈有近20个不连续性缺陷

40、，但是都比较短，一个主轴颈上有一个沿着圆角的裂纹，但是几乎完全穿过曲柄连接板，如上图所示。另一个主轴颈在圆角内有1/2IN长的裂纹。好几个曲柄销轴颈有45in长的裂纹，主要都是在圆角内。在4号主轴颈的主裂纹处取下一个金相试样。从宏观侵蚀的表面可以看出有大量的粗的偏析物，鉴定为硫化物夹杂，如图所示。裂纹表面的宏观检验显示出具有低应力高频特征的疲劳开裂。在裂纹源的区域中含有硫化物夹杂。曲轴是由1040钢锻制成的。金属机械性能符合技术规范。结论：曲轴的主轴颈和曲柄销轴颈的疲劳失效是由于硫化物的严重偏析，其作用如同应力提升源，因而在该处萌生疲劳裂纹。改进措施：除用磁粉检验确定不连续性缺陷外，还应用超声

41、波检验。第54页/共60页例11 1151钢转子轴上的花键由于材料中有接缝在感应硬化后脆性断裂历史背景：图所示的花键转子轴是小电动机用的，在电动机投入工作之前，已发现每个轴都损坏了一个花键齿，轴由1151钢制成，花键表面经感应加热硬化到HRC5862。目视检查：每个转子轴感应硬化端的花键上都有明显剥落，且只有一个齿脱落，断口颜色发暗，表明裂纹是在感应加热之后油淬之前或油淬期间产生，用荧光液体渗透法检验轴件表面裂纹和缺陷，发现有一个纵向的不连续性缺陷，它是从齿内延伸穿过花键端部的热影响区，并进入轴件未加热部分。金相检验 如图中所示三个部位取样，通过断裂齿末侵蚀剖面（A-A）的显微照片的断口是一个

42、凹面，并且由一个明显接缝特征，当一个裂纹在接缝根部（B点）萌生，并向齿根圆角处延伸时，齿就要从轴上断掉。经腐蚀，发现表面有部分脱碳（A-A剖面右图）。通过对花键端部感应加热的热影响区的抛光态观察（图B-B剖面），发现硬化时产生的热应力已使缺陷显露出来，在缺陷处表面的曲率和断裂花键相同。通过对轴件末受感应加热的热影响区的抛光态观察（图C-C剖面）,发现存在一条扩展至深度约0.025in的裂纹，在裂纹根部含有接缝中常有的氧化物。经腐蚀，裂纹两侧有部分脱碳，与键齿面上发现的一样，裂纹表面曲率和热影响区中和花键齿的断面上一样。裂纹表面有脱碳和裂纹根部有氧化物，表面接缝在热处理前已存在。从接缝的特征来看

43、，它是钢坯、杆材和钢丝的制造过程中产生。结论 轴件失效是由于脆性断裂，因为钢在加工过程产生一些深的接缝。而这些接缝在感应加 热过程中起了应力提升源的作用。第55页/共60页第56页/共60页表面覆盖层的作用类型包括：电镀、金属喷镀、催化沉淀和金属涂覆层。应用覆盖层时，必须注意的是有害的残余应力和在轴中保留的或产生的应力集中源。电镀产生残余拉应力，酸洗容易产生H脆，金属喷镀产生残余拉应力（膨胀）第57页/共60页例12一个用金属喷镀修复的曲轴的疲劳断裂历史背景：在一个四缸发动机作检修时，发现曲柄销轴颈和直径3in的主轴轴承颈是用金属喷镀修复的。使用四周之后，曲轴在距飞轮末端处及最远曲柄销处发生断

44、裂。分析鉴定：目视观察，裂纹起源于曲柄销内侧表面的圆角处，如图(a)A处,裂纹垂直曲柄销轴线以疲劳形式扩展，并且在最后断裂前穿过曲柄销横截面约80%.检验发现曲柄销的喷镀金属与基体粘附很差，用铲很容易使其剥落；铲去一些喷镀层，观察发现销子表面上有曾被切出一个宽、深各为1/33in的螺旋凹槽（图b中的B），凹槽延伸长度仅超过圆周一半，表面的其余部分则用锯齿形状的冲头压印成不规则的印痕（图b）。主轴颈表面没有开槽，为了增加结合力，在表面采用喷丸和喷砂处理使其变得粗糙。主轴颈上金属喷镀层的粘附力要比曲柄销表面的强。从一个曲柄销来看，喷镀金属大部分延伸到整个曲柄销的宽度。并且覆盖其周缘的三分之一。检验

45、结果指出：填充于凹槽内的金属结疤已从曲柄销原表面主层上被剥离。考虑到失效顺利，裂纹不可能在轴件修复前以存在，因为裂纹源位于车削凹槽的底部，并且裂纹沿着凹槽围绕曲柄销周缘约一半长度扩展。图C是曲柄销的部分照片，表面裂纹是在凹槽中产生的。C处显出凹槽延续部分，此部分已超越裂纹改变方向。此裂纹不像曲轴上大多数裂纹那样，仅处于邻近圆角与曲轴表面相切的区域，而是在曲柄销圆柱体内发展了月1/8in。这也说明了其位置决定于预先存在着的机械加工的凹槽。结论 轴件因疲劳而失效，裂纹起源于凹槽之中，在曲柄销上加工凹槽是为了有助于保留喷镀金属。建议：为了喷镀金属，轴件表面应该用喷丸或喷砂办法制备，以使其表面粗糙。对于重新修复主轴径表面，喷镀效果比较满意，对于承受冲击载荷的曲柄销表面，并不令人满意。第58页/共60页第59页/共60页感谢您的观看！第60页/共60页