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齿轮箱轴断裂分析

2012-6-4 11:04| 发布者: 花瓣七七| 查看: 1535| 评论: 0|原作者: 陈刚|来自: 中国电镜网

摘要: 采用化学成分分析、断口分析、金相检验和力学性能测试,对某齿轮箱轴发生断裂的原因进行了分析。结果表明:其断裂模式为疲劳断裂,起源于退刀槽尖角位置,直角退刀槽造成应力集中产生疲劳断裂;而原材料的锻造和热处 ...

2  力学性能测试结果

Tab. 2  Testing results of mechanical properties

类型

编号

屈服强度Rp0.2/N·mm-2

抗拉强度Rm/N·mm-2

断后伸长率A/%

断面收缩率Z/%

国产轴

1

333.0

628.1

22.00

55.38

 

2

250.0

642.9

23.27

52.11

 

3

330.4

720.3

23.33

57.49

 

平均值

304.5

663.8

22.87

54.99

进口轴

1

723.0

1190.4

20.33

59.04

 

2

449.0

831.6

18.33

56.44

 

3

453.9

875.0

18.33

53.76

 

平均值

542.0

965.6

19.00

56.41

 

由于轴比较粗,热处理从内到外冷却速度不均匀,靠近外壁的强度高,靠近芯部的强度低。但总体上看,国产轴的强度比进口轴的强度明显偏低。

1.4.       金相检验

按图5所示在距轴芯相等距离的位置上取3个金相试样。由图6(a)可见,国产轴的显微组织非常不均匀,这可能与材料的偏析及锻造有关;主要为等轴的索氏体组织,如图6b)所示。进口轴的显微组织为板条马氏体,组织分布均匀,如图7所示。

5  取样位置示意图

Fig. 5  Location schemes of sampling

 

6  国产轴的显微组织

Fig. 6  Microstructure of the domestic shaft

(a)    Uneven microstructure  (b)  Equiaxial ferrite and flake pearlite microstructure

 

7  进口轴的显微组织

Fig. 7  Microstructure of the imported shaft

 

2.       分析与讨论

根据上述检验结果判断,齿轮轴的断裂为疲劳裂纹扩展所致。以下对疲劳开裂的有关因素进行分析。

2.1.       疲劳裂纹起源和应力集中分析

从断口宏观形貌上可见,断裂的直角退刀槽附近有多处放射线,表明呈现多点起源的现象,这是应力集中的体现。高应力集中往往会呈现多点疲劳裂纹起源的现象。

疲劳裂纹通常萌生于金属表面的应力集中处,如夹杂物、脆性的晶粒边界、尖锐的机械加工刀痕、腐蚀坑和滑移带等处,与抛光的表面相比,垂直于外力方向试样表面的机械加工刀痕可使金属的疲劳强度降低15%~20%[1]

在齿轮轴上,退刀槽的位置正好是疲劳断裂的起源位置。正是由于机械加工的退刀槽为直角,应力集中系数非常大,是疲劳裂纹起源的主要原因。

2.2.       断裂时的载荷分析

旋转轴类零件的疲劳断口可用来判断断裂时载荷的大小。当载荷大时,疲劳裂纹扩展一小部分即会发生瞬时断裂,即瞬时断裂所占整个断口面积较大,有时达到整个断口面积的90%以上;而载荷小时,疲劳裂纹扩展面积很大,而瞬时断裂区很小。断口贝纹线较扁平,裂纹扩展前沿线两侧的裂纹扩展速度较大,瞬断区在裂纹源的对面,由此可见,失效轴主要受到旋转弯曲应力[2];断口上瞬断区面积很小(约为整个断口的1/5~1/6),说明断裂时的载荷较小。

根据以上断口分析结果及断裂形貌认为,轴断裂属于中等名义应力集中条件下的旋转弯曲产生的疲劳断裂[3]

由于在直角退刀槽处的应力集中严重,使轴在正常的工作应力下在退刀槽处过早的产生疲劳裂纹,在旋转交变载荷的作用下,疲劳裂纹扩展到轴内,当轴的有效承载面积不足以维持强度极限时,轴就发生断裂。

2.3.       热处理状态分析

国产轴的显微组织不均匀,淬火处理不当得到的组织为索氏体组织,此时晶粒粗大,材料的强度低。这些都有利于疲劳裂纹的形成和扩展[4]

3.       结论与建议

(1)     进口轴的材料为20CrMn钢,国产轴的材料为20CrNi2Mo钢。两种轴退刀槽根部的圆角半径都较小,造成应力集中系数过大,从而引发疲劳断裂。另外国产轴的热处理工艺不当,造成其强度比进口的低很多,进一步降低了它的疲劳强度,加速了疲劳断裂的产生。

(2)     建议加大退刀槽根部圆角半径,降低应力集中系数。

(3)     20CrNi2Mo轴的热处理应进行调整,轴整体采用调质处理+齿轮表面局部热处理,以保证轴的整体综合力学性能和齿轮表面高硬度的要求。

 

参考文献:

[1]      DAVIS H ETROXELL G EHAUCK G F W. The Testing of Engineering Materials [M]. New York:McGraw-Hill Book Company,1982:256.

[2]      毛晓禹.断口学译文集[M]. 包头:《兵器材料与力学》编辑部,1980.

[3]      董毅.减速机轴断裂分析[J]. 理化检验-物理分册,2003,39(10):538-540.

[4]      陈玲琳,朱绍峰.旋回破碎机主轴断裂分析[J]. 金属热处理,2006,31(6):87-88.

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