35钢油缸销轴断裂的原因

宏观形貌 断裂销轴的原始直径为 ２０ mm,长 ２６０ mm. 润滑油油孔位于销轴长度方向的中部,直径３mm. 由图１可知:销轴均在其中部润滑油油孔位置处断裂;断裂销轴表面存在大量的车削加工刀痕,刀痕排 列均匀;断裂面基本沿刀痕方向扩展.在断裂销轴 距离断口５mm 位置处截取横截面试样,分别进行 化学成分、硬度、显微组织测试分析.使用 Wilson４０２MVD型显微硬度计测硬度,压 头为相对面夹角为１３６°的方锥形金刚石压头,载荷为 ２．９４N,测试点分别位于距离表面０．１mm 处、１/２半 径处 和 中 心 处.测 得 该 销 轴 截 面 硬 度 在 ２１０~ ２２５HV之间,根据 GB/T１１７２－１９９９换算后可知, 此硬度满足产品的技术指标要求(１８０~２２０HBW). １．４ 显微组织 将横截面试样预磨抛光,用４％(体积分数)硝 酸酒精溶液腐蚀后,使用 OlympusGX５１型光学显 微镜观察 显 微 组 织.由 图 ２ 可 以 看 出:断 裂 销 轴 表层无脱碳现象,整体组织较均匀;表层与心部的 组织相同,均 为 沿 晶 界 呈 网 状 分 布 的 浅 色 铁 素 体＋层片状的 深 色 珠 光 体,部 分 区 域 还 出 现 了 魏 氏 体组织.参照 GB/T１３３２０－２００７ 中 第 一 组 评 级 图,判定该 断 裂 销 轴 的 显 微 组 织 等 级 为 ４ 级.产 品技术条件要求该销轴钢需经淬火并高温回火处 理(调质处 理),其 正 常 组 织 应 该 是 回 火 索 氏 体. 经咨询销轴 生 产 商,此 批 次 销 轴 由 于 操 作 人 员 交 接失误,未进行调质处理. １．５ 表面形貌 使用 BrukerNPFLEXＧLA 型非接触式三维表 面光学形貌仪进行表面微观形貌测试.由图３可以 看出:加工刀痕相邻峰、谷高度差zui大约为２０μm, 表面粗糙度为５．１８μm;表面还存在垂直于刀痕方 向的划痕.该销轴的表面加工质量较差.

在销轴断口附近的表面还观察到明显的磨损痕 迹,此 处 的 原 始 加 工 刀 痕 已 被 完 全 磨 平,如 图 ４ 所示. １．６ 断口形貌 使用 FEIQuantaＧ２００型扫描电镜对断裂销轴 开裂断口表面进行分析.由图５可见:裂纹源位于 销轴表面加工刀痕的根部,沿表面加工刀痕呈线状 分布,呈多源疲劳断裂特征;断口分为裂纹源区、扩展区、瞬断区等３个明显的特征区[３];裂纹源区非常 平整,这是由于裂纹萌生初期断裂面相互挤压摩擦 而导致的;扩展区呈现较明显的贝纹线形貌[４],微观 上为疲劳辉纹,贝纹线大致呈以油孔为圆心的圆弧 状,表明裂纹沿圆周的运动比跨越直线的运动更快, 通常尖锐的缺口会产生此种形貌[５];裂纹在向轴内 部扩展至中心油孔处时,销轴剩余部分无法承受载 荷作用而导致瞬断,瞬断区表面较粗糙,微观上显示 韧窝形貌,属于韧性断裂. ２ 断裂原因分析 ２．１ 疲劳裂纹的萌生 销轴工作时其中部受到油缸施加的循环推力, 同时因两端固定在设备机座上而承受弯曲载荷,中 部弯矩zui大,且正好是油孔所在位置,此处的有效横 截面积zui小,因此中部表面的应力zui大.考虑到油 孔开口位置的应力集中,销轴安装时一般都规定应 使油孔避开zui大拉应力作用区,即将油孔开口保持 在受压一侧.在进行疲劳过程的有限元分析时,考 虑第一主应力而非等效应力更合理.根据销轴受载 情况进行有限元分析,模拟结果见图６(a),在zui大载 荷１０kN时,光滑销轴受拉一侧的第一主应力zui大约 为２００MPa.断裂销轴实测硬度平均值为２２０HV, 根据 GB/T１１７２－１９９９ 换 算 得 到 其 抗 拉 强 度 约７５０MPa.金属材料的疲劳强度大致为其抗拉强度 的０．４~０．５倍[６],因此该销轴的疲劳强度为３００~ ３７５MPa,高于实际承受的应力,销轴应该不会发生 疲劳断裂.但销轴表面存在明显的车削加工刀痕, 较差的表面加工质量对疲劳裂纹形成有重要影响, 因而对疲劳强度也会产生很大影响[４].根据三维形 貌仪实测的表面形貌(图３)对销轴表面进行精细建 模,由于加工刀痕的尺寸属于微米级,与销轴的尺寸 相差理想,为了避免网格划分的困难以及计算的误 图６ 在zui大工作载荷下销轴受力的有限元模拟结果 Fig敭６ Finite element simulation results of pin stress under maximum workingload a generalview and b at turningtoolmarks 差,必须采用子模型有限元分析技术,即提取图３所 示的加工刀痕几何模型,再加载从全局模型获得的 位移结果作为边界条件,从而得到刀痕处的第一主 应力云图,结果见 图６(b).由 图６(b)可以看出,刀 痕根部应力约为４００ MPa,其应力集中系数达到２. 零部件表面的缺口会引起应力集中,且疲劳对缺口 的敏感度随着材料强度的增加而增大[７].现代工程 机械主要基于理论和经验计算值以及实际产品测试 结果等进行产品设计,这些设计一般都以理想材料 为前提,对于存在制造缺陷(如加工刀痕)的应力状 态考虑较少,而往往正是这些制造缺陷带来了破坏 性的结果[８].综上可见:表面光滑销轴所承受的应 力远小于其疲劳强度,设计要求能够满足使用要求, 销轴不会发生疲劳断裂;但是,由于此批次销轴的表 面加工质量较差,在刀痕根部处易产生应力集中,导 致疲劳裂纹萌生,疲劳性能下降.

此外,由图４所观察到的表面磨损形貌是机械 设备在工作过程中承受巨大的摩擦挤压而造成的, 同时销轴还承受着包括机械振动等带来的微动磨 损,这些均会导致其疲劳性能的显著降低.目前粗 糙度(加工刀痕)对材料疲劳性能影响的研究较多, 但有关微动磨损的影响研究相对较少[４]. ２．２ 疲劳裂纹的扩展 裂纹萌生后,其扩展速率和扩展方向与内部组 织密切相关.断裂销轴显微组织为网状分布的铁素 体＋层片状珠光体,因其未进行调质处理,组织粗 大.粗大的 显 微 组 织 对 抗 疲 劳 裂 纹 扩 展 能 力 不 利[９],当组织粗化时,晶界密度减小,裂纹扩展到晶 界时 遇 到 的 阻 碍 降 低,裂 纹 扩 展 速 率 增 大. 研 究[１０Ｇ１１]表明,具有粗大网状铁素体＋珠光体组织或 贝氏体组织的非调质钢的疲劳性能较差,低于同等 强度水平的高温回火马氏体钢的,疲劳裂纹优先沿 着铁素体/珠光体边界扩展,其扩展速率受铁素体相 硬度和强度的影响.