摘   要：某公司減速機輸入軸發(fā)生斷裂，對該斷軸進(jìn)行了宏觀分析、室溫力學(xué)性能試驗、硬度試驗、金相組織分析、掃描電鏡（SEM）和 EDS 能譜分析等一系列檢測分析。結(jié)果表明：斷軸的原因是軸表面沒有進(jìn)行有效滲碳處理，軸在交變旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的反復(fù)作用下，在應(yīng)力集中的軸變徑處發(fā)生斷裂，并對失效機理進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：減速機；斷軸；失效分析

2018 年 7 月某公司型號為 H2SV10A 的減速機輸入軸發(fā)生斷裂，圖1 為減速機輸入軸的結(jié)構(gòu)。圖2 為斷裂失效輸入軸的宏觀照片。從圖 1和圖 2 可見，減速機輸入軸斷裂發(fā)生在準(zhǔn)85 mm 外圓和100 mm 外圓的過渡階段，斷裂位置靠近85 軸徑側(cè)，即圖 1 中圓圈內(nèi)標(biāo)記區(qū)域。軸的材質(zhì)為18CrNiMo7-6[1]，屬于德國牌號。本文通過輸入軸失效分析，探尋其失效原因。

圖1 減速機輸入軸結(jié)構(gòu)圖(mm)

圖2 斷裂失效輸入軸的宏觀照片

1  試驗方法及結(jié)果

1.1 宏觀分析

圖3  減速機輸入軸斷口的宏觀形貌照片

圖3 為減速機輸入軸斷口的宏觀形貌照片。斷口表面有較明顯的貝殼狀花樣, 屬于典型的疲勞斷裂。斷口由疲勞裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)組成。其中疲勞源有 3處，分別標(biāo)示為 1、2、3 區(qū)域。仔細(xì)觀察斷口疲勞源區(qū)，1 和2 區(qū)域兩處表面較平坦，3 區(qū)域的疲勞源有剪切唇。疲勞源在距表面 2mm 范圍內(nèi)，3 個疲勞源所處的區(qū)域之間有臺階和褶皺。裂紋擴(kuò)展區(qū)貝紋線比較扁平，部分區(qū)域存在褶皺。斷口形貌為纖維狀，斷面有臺階和褶皺，表明減速機軸承受到了反復(fù)交變的旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力。斷口瞬斷區(qū)域較小，約占整個斷口面積的 1/10，說明軸整體受力較小，屬于典型的低應(yīng)力多疲勞源型高周疲勞斷裂。

1.2 軸的室溫拉伸試驗及沖擊性能檢測

對斷軸的力學(xué)性能進(jìn)行檢測，依據(jù)國標(biāo) GB/T2975-1998 《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試驗制備》[2]選取被檢試樣位置，根據(jù)國標(biāo)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第 1 部分：室溫試驗方法》[3]，在軸的縱向采用線切割進(jìn)行拉伸試樣加工，制作標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗。根據(jù) GB/T229-2007 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》[4]，在軸縱向取沖擊試樣，試樣尺寸為 10mm×10mm×55mm，V 型缺口，試驗溫度為 20℃。每種試樣分別制作 3 個， 試樣選材為85 mm和100 mm兩側(cè)的母材。表 1 為斷軸的室溫拉伸試驗結(jié)果，表 2 為斷軸的沖擊性能檢測結(jié)果。

表1 斷軸的室溫拉伸試驗結(jié)果

由表 1 看到，斷軸室溫拉伸性能符合技術(shù)要求。

表2 斷軸沖擊性能檢測結(jié)果(J)

由表 2 看到，斷軸沖擊性能檢測結(jié)果符合技術(shù)要求。

1.3 軸、截面及斷口區(qū)域顯微硬度檢測

依據(jù)國標(biāo) GB/T 4340.1-2009 《金屬維氏硬度試驗第 1 部分：試驗方法》[5]，對 1 和 2 區(qū)域沿徑向截取兩個條形金相試樣進(jìn)行顯微硬度檢測，完成軸、截面及斷口區(qū)域顯微硬度檢測，顯微硬度載荷為 200g，作用時間 12s。斷軸不同區(qū)域的顯微硬度檢測結(jié)果見表 3。根據(jù)顯微硬度檢測結(jié)果，輸入軸 1 區(qū)域的所有截面硬度及斷口區(qū)域的硬度值基本相同，為355～403HV0.2。輸入軸 2 區(qū)域的所有截面硬度及斷口區(qū)域的硬度值基本相同，為 322～375 HV0.2。由此可見，1區(qū)域整體硬度比 2 區(qū)域的高，驗證了輸入軸未進(jìn)行有效的表面滲碳處理。

表3  斷軸不同區(qū)域的顯微硬度檢測結(jié)果(HV0.2)

1.4 軸及截面的宏觀洛氏硬度檢測

依據(jù)國標(biāo) GB/T230.1-2018 《金屬洛氏硬度試驗第 1 部分：試驗方法》[6]加工試樣，根據(jù) EN 10084-2008《滲碳鋼-交貨技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求，選取對應(yīng)的部位進(jìn)行洛氏硬度檢測。表 4 為斷軸宏觀洛氏硬度檢測結(jié)果。由表 4 可見，兩側(cè)軸徑距淬火端 1.5～7.0 mm 處的宏觀洛氏硬度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，除了100mm 側(cè) 1.5mm 處洛氏硬度較高外，軸的其余外表面和截面硬度值大致相等，整個截面的硬度也基本一致，為 38～35HRC。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，該材質(zhì)表面要進(jìn)行滲碳處理，說明斷軸未進(jìn)行有效的表面處理。

表4  斷軸宏觀洛氏硬度檢測結(jié)果(HRC)

1.5 軸及斷口區(qū)域金相組織分析

本次試驗研究分別在圖3 中標(biāo)注的 1 和 2 區(qū)域沿徑向截取兩個條形試樣，在拋光機上進(jìn)行磨制后，用4%硝酸酒精溶液侵蝕，在 GX71 型研究級金相顯微鏡下進(jìn)行微觀組織分析，依據(jù) DL/T 884-2004《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》[7]。圖4 為 1 區(qū)域外表面低倍形貌及外表面、斷口和心部的金相組織。其中，圖4（a）和（b）分別為 1 區(qū)域外表面低倍形貌和金相組織照片，外表面可見 1 條長約 0.077mm 的裂紋，表面未見滲碳層，其表面金相組織為回火索氏體。圖4（c）和（d）分別為 1 區(qū)域斷口和心部的金相組織照片，其組織為回火索氏體。

 圖4  1區(qū)域外表面低倍形貌與外表面、斷口和心部的金相組織

圖5  2區(qū)域外表面低倍形貌及外表面、斷口表面、心部金相組織

圖5 為 2 區(qū)域外表面低倍形貌及外表面、斷口和心部的金相組織。其中，圖 5（a）為 2 區(qū)域外表面低倍形貌，表面未見滲碳層；圖5（b）為 2 區(qū)域斷口的金相組織照片，其組織為回火索氏體；圖 5（c）為 2 區(qū)域心部的金相組織，其組織為回火索氏體。從金相組織分析看，軸的表面未進(jìn)行滲碳處理，組織未見異常。

1.6 掃描電鏡(SEM)分析

采用掃描電子顯微鏡對減速機斷軸斷面進(jìn)行分析， 分別選取 1 區(qū)域疲勞源和瞬時斷裂區(qū)兩個部位進(jìn)行掃描電鏡分析。圖 6 為 1 區(qū)域的疲勞源形貌。疲勞源為表面缺口，圖中的摩擦痕跡表明，此處可見由于受到反復(fù)的交變應(yīng)力導(dǎo)致的滑移痕跡，進(jìn)一步驗證此處就是疲勞源。圖7 為疲勞擴(kuò)展區(qū)的疲勞條紋形貌。圖 8瞬時斷裂區(qū)低倍、解理及最后拉斷區(qū)韌窩形貌。圖 8（a）為瞬時斷裂區(qū)的斷口低倍形貌，圖 8（b）為瞬時斷裂區(qū)的解理斷口形貌。從掃描電鏡圖可看出， 瞬時斷裂區(qū)的大部分區(qū)域斷裂微觀形貌為解理斷裂，斷口微觀形貌呈河流花樣。瞬時斷口區(qū)域只有最后斷裂的部位呈現(xiàn)韌窩形態(tài)（圖 8（c））。由掃描電鏡的分析結(jié)果看， 斷口呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂的微觀形貌特征。

圖8  瞬時斷裂區(qū)低倍、解理及最后拉斷區(qū)韌窩形貌

1.7 能譜(EDS)分析

采用 EADX 能譜儀對減速機輸入軸斷面區(qū)域表面進(jìn)行微區(qū)半定量能譜分析。圖 9 為斷軸的疲勞源區(qū)域能譜分析。具體檢驗結(jié)果見表 5。由表 5 可見，疲勞源表面主要元素為 Fe、C和 Cr，說明疲勞源區(qū)域未見明顯氧化及外部介質(zhì)的腐蝕。圖 10為斷軸瞬時斷裂區(qū)域能譜分析。具體檢驗結(jié)果見表 6。由表5 看到疲勞源表面主要元素為 Fe、C 和 Cr，說明瞬時斷裂區(qū)域未見明顯氧化及外部介質(zhì)的腐蝕。疲勞源和瞬時斷裂區(qū)的微區(qū)能譜分析結(jié)果相近， 說明軸的斷面區(qū)域未受到外來腐蝕介質(zhì)影響，軸斷裂與外部介質(zhì)無關(guān)。

 圖9 斷軸疲勞源區(qū)域能譜分析

圖10 斷軸瞬時斷裂區(qū)域能譜分析

表5 斷軸疲勞源區(qū)域能譜分析結(jié)果

表6 斷軸瞬時斷裂區(qū)域能譜分析結(jié)果

2  分析與討論

對減速機輸入軸斷口的宏觀分析表明，軸的斷裂呈現(xiàn)低應(yīng)力多疲勞源型高周疲勞斷裂，斷裂區(qū)域位于變徑處偏85mm 側(cè)，該處是應(yīng)力集中區(qū)域。軸的室溫拉伸試驗及沖擊性能檢測結(jié)果顯示，軸的強度和沖擊韌性試驗結(jié)果均符合技術(shù)要求。軸、截面及斷口區(qū)域顯微硬度和宏觀洛氏硬度檢測結(jié)果表明，軸的外表面未進(jìn)行有效滲碳處理。軸及斷口區(qū)域金相組織分析結(jié)果表明該軸是在調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)下未經(jīng)表面處理直接投入使用。斷口的掃描電鏡分析結(jié)果看，斷口的疲勞源及疲勞擴(kuò)展區(qū)得到證實，斷口呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂的微觀形貌特征。能譜分析結(jié)果顯示，軸的斷面區(qū)域未受到外來腐蝕介質(zhì)影響，軸斷裂與外部介質(zhì)無關(guān)。

軸的工作狀態(tài)要求其表面硬度較高、耐磨，心部硬度相對較低，韌性較好。通常情況，軸表面一般經(jīng)高頻或中頻滲碳處理后才使用，而失效軸的調(diào)質(zhì)使用狀態(tài)與理論要求的高頻或中頻表面處理使用狀態(tài)不相符，由于工藝上的不合理，造成軸的疲勞抗力降低。另外，軸在承受旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的作用下，由于軸的表面硬度較低，加上變徑處應(yīng)力集中，該處本身就是軸運行中的薄弱區(qū)域，在變徑處過早的產(chǎn)生疲勞源。在軸的高速旋轉(zhuǎn)過程中，最先開裂的區(qū)域在交變的彎曲應(yīng)力作用下對臨近區(qū)域進(jìn)行摩擦，又在臨近區(qū)域產(chǎn)生新的疲勞源，進(jìn)而產(chǎn)生 3 個疲勞源，隨著循環(huán)載荷的作用，疲勞裂紋不斷向基體內(nèi)擴(kuò)展，致使軸的有效承載尺寸減少，最后導(dǎo)致軸的斷裂。

3  結(jié)論

某公司H2SV10A 減速機輸入斷裂機理是低應(yīng)力多疲勞源的高周疲勞斷裂。斷裂的內(nèi)因是斷裂側(cè)的軸表面沒有進(jìn)行有效滲碳處理，斷裂的外因是軸在交變旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的反復(fù)作用下，在應(yīng)力集中的軸的變徑處發(fā)生斷裂。

參考文獻(xiàn):

[1] 滲碳鋼-交貨技術(shù)條件(中文版)

[2] 鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試驗制備

[3] 金屬材料拉伸試驗第 1 部分：室溫試驗方法

[4] 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法

[5] 金屬洛氏硬度試驗第 1 部分：試驗方法

[6] 金屬維氏硬度試驗第 1 部分：試驗方法

[7] 火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則