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轴、杆类失效分析实例 轴通常是指实心或空心的柱型金属材料制成的零部件。轴起支承旋转部件或传递动力的作用。本章除了介绍主轴、曲轴失效的实例之外，还介绍了有关连杆、拉杆、辊等部件的失效实例。 轴类部件主要承受拉伸、压缩、弯曲、扭转及各种复合载荷的作用；此外，轴类部件还可能受到振动应力的作用。 轴类部件失效的最常见形式是疲劳失效；但是也可能出现脆性断裂、韧性断裂、蠕变断裂等失效形式。 轴类的失效一般起始于一些应力集中的部位，其中包括：键槽的端部、压配合件的边缘处、轴肩处的圆角和油孔的边缘处，加工刀痕、淬火裂纹及材料缺陷等。除此之外，轴类部件的装配、搬运、保养、使用等不当也可能引起失效现象。 主轴失效分析实例 1．油田高压注水泵轴套表面裂纹分析 油田高压注水泵轴套材料为3Crl3，其外形尺寸见图1所示。制造工艺过程为：锻造→850~870℃保温2小时退火，硬度范围HB=190~194→粗车→精车成型。在粗车外围10mm后发现轴套外表面有裂纹。经磁粉探伤证实，投产44件中有42件锻件的外表面均有大量的龟裂纹，见图2所示。造成直接经济损失四千余元。 据对原材料的成分及高低倍组织分析检查，原材料合乎质量要求，轴套表面开裂与原材料无关。 轴套端面的低倍及高倍检查结果表明，裂纹由表面开始沿晶深入内部，粗大裂缝内嵌填有氧化物，见图3、图4、图5。裂纹两侧的金相组织见图6，可见裂缝两侧金属严重氧化脱碳，呈现为全铁素体组织。裂缝内充填了大量氧化物。而远离裂纹的基体组织未发现异常，为均匀的索氏体，见图7。 根据裂纹的宏观和微观组织特征，可断定锻件表面裂纹是在退火处理前产生的。经现场了解，锻造加热炉测温仪表失修，锻件加热不符合工艺规定要求，没有充分预热，直接快速升温。3Cr13属高铬钢，这种材料的导热性较差，在没有很好预热情况下快速升温，锻件内外温差悬殊，造成锻件在锻造过程中开裂。退火加热时，空气渗入裂缝，致使裂缝两侧金属脱碳氧化，氧化产物充填于裂缝之中。 图1 OPI 图像说明： 经粗车、精车后之水泵轴套外形尺寸。 图象说明： 制取裂纹处试样抛光后在100×显微镜下观察，试样中存在大量沿晶粗大裂纹，其内大多充填有氧化物，且裂纹呈无规则分布。 图3 OPI 图象说明： 轴套切开的横截面，经1：1盐酸水溶液热蚀，可清楚地观察到裂纹由表面伸向内部，裂纹浓度约11~13mm。 图象说明： 制取裂纹处试样抛光后在100×显微镜下观察，试样中存在大量沿晶粗大裂纹，其内大多充填有氧化物，且裂纹呈无规则分布。 图4 OMI 100× 图5 OMI 100× 图象说明： 同图4。 图象说明： 裂纹两侧的金相组织为铁素体，呈严重脱碳状，裂纹内充满氧化皮，铁素体基体上也有小点粒状氧化物。 图7 OMI 200× 图象说明： 无裂纹区域的金相组织为均匀的索氏体。 2．微型电动机主轴断裂失效 某机械装置在运行过程中发生事故，停机检查发现其微型电动机主轴断裂失效。微型电动机主轴材料为30CrMnSiA钢，微型电动机在发生事故之前工作正常。现要查明微型电动机主轴的断裂性质及原因。 微型电动机主轴断口外貌如图8所示，宏观断口形貌较平整，具有强烈的金属光泽；在强光下转动可看到闪闪发光的小刻面。未发现有明显的纤维状区及剪切唇区的形貌特征。 通过金相检验，其微观组织正常，未发现异常现象。采用碳—塑料二次复型方法，在透射电子显微镜下观察主轴断口的微观形貌特征，如图9、10、11、12、13所示，均呈现出穿晶型的解理断裂形貌。其中图9具有明显的河流花样，箭头所指示的位置表示小角度的倾斜晶界，河流花样连续通过倾斜晶界的情况。图10表示解理断裂的羽毛状花样。图11表示30CrMnSiA钢解理断裂的扇形花样。图12所示的是解理断裂的舌状花样。图13所示的是解理断裂的羽毛状花样及局部出现韧窝花样的微观形貌特征。 通过断口分析可知，微型电动机主轴是由于脆性解理断裂而产生失效的；当机械装置发生事故时，其它零部件撞击微型电动机主轴而引起断裂失效。 图象说明： 微型电动机主轴断口外貌，宏观断口较平整，具有强烈的金属光泽，无明显的纤维状及剪切唇区的形貌特征。 图8 OPI 图9 TEM 5000× 图象说明： 解理断裂的电子图象，具有河流花样，河流花样变化处为小角度倾斜晶界，如箭头指示处。 图10 TEM 5000× 图象说明： 微型电动机主轴的解理断裂的电子图象，具有羽毛状花样，在羽毛状花样上还可观察到小的舌状花样。 图象说明： 微型电动机主轴解理断裂的电子图象，具有扇形花样，白色箭头指示处为扇形花样的裂源，黑色箭头指示处为晶界。从河流花样