第8章-实际构件失效分析实例

第8章实际构件失效分析实例李春福西南石油大学材料科学与工程学院8.1M5-36-11No.20.5风机轴断裂分析•某厂M5-36-11N0.20.5D风机在使用接近7年后，于1999年8月中旬发现风机轴偏斜，轴径表面与风机罩发生摩擦。将该轴取下后发现在叶轮端支撑轴承面台阶处发生开裂，表面裂纹宽度接近2mm，叶轮附近的轴表面磨损深度达5mm。于1999年10月26日将该轴断开，确定对该轴的断裂原因进行分析。8.1.1概况•M5-36-11No.20.5风机原设计的部分参数：•设计功率：710kW，电动机转速：1480r/min，飞轮力矩：36.3N·m，叶轮质量：788kg；主轴质量：285kg，主轴材料：45钢，轴长度：1889.9mm；中心距：816.9mm，叶轮力臂长度：575.9ram，临界转速：2221r/min；转速系数：1.5。•风机主轴结构与尺寸，如图8-1所示。•风机轴受力分析与计算如图8-2所示。•经力学计算校核的部分数据：•危险截面应力：16.64MPa；强度系数：3.3。•在设备安装时，经设计、使用、制造单位同意，将原设计的19D改为20.5D，经计算：•叶轮重量=8470N；危险截面计算扭矩Mn=4581N·m；危险截面应力σmax=17.25MPa。•45钢许用应力[σn]=55MPa，σmax[σn]。•同时，根据行业标准，主轴临界转速系数应不小于1.3，该风机主轴的临界转速系数为2.14，符合要求。•轴的断裂位置如图8-1所示。由图8-2的受力分析可知，其断裂面发生在轴的应力最大面上的台阶过渡处，即使用中的危险截面。检查发现该轴台阶处过渡圆角半径为R5，但圆弧加工不光滑，在圆弧连接处存在较明显的“切根”现象，在此处可产生较大的应力集中。•另外，现场检测人员发现在使用中，该轴的振动较其他风机严重。其他风机的水平振动和垂直振动均为20μm左右；该轴的水平振动为50~60μm，垂直振动为40~50μm，均比其他四台风机振动大约30μm。标准规定该类风机的振动要求（标准参数由使用厂提供）为：20μm以下为优，40μm以下为良，超过80μm为不合格。显见，该风机使用中的振动情况虽然在规定的合格范围以内，但已超出“良”的要求。8.1.2断裂过程分析•风机轴断口的宏观形态如图8-3所示，断口显示该轴的断裂为疲劳断裂性质。疲劳裂纹首先由轴近表面的三处缺陷处起源，然后在较低的旋转弯曲交变应力作用下，裂纹慢速扩展。裂纹扩展至轴半径的1/2处后，扩展加速，在断口上可观察到清晰的疲劳弧线，疲劳弧线的圆心指向最后断裂区。•在断口上宏观可见三处明显缺陷A、B、C，缺陷A根部有明显裂纹起源时形成的台阶。A、B两处缺陷形成的裂纹基本在一个平面上扩展，很快汇合形成一个的裂纹；C处的裂纹扩展缓慢，最后断裂时与A、B裂纹形成一个不大的撕裂台阶。由此可知，裂纹均从缺陷的根部形成并扩展。b）a）图8-4断口缺陷处裂纹形貌（3×）a）A处b）B处图8-5缺陷根部裂纹微观形态（150×图8-6裂纹快速扩展区解理（250ו从宏观断口分析可知，裂纹起源于轴的缺陷处，因此，轴上的缺陷对裂纹的形成有决性的作用。为了进一步分析缺陷的作用及缺陷处裂纹的形成过程和裂纹形态，在图8-4中示出宏观断口上严重缺陷处的放大形貌。由此可知，裂纹均从缺陷的根部形成并扩展。•在裂纹起始区和扩展区取样，在扫描电子显微镜下分析断口的微观形态，如图8-5、图8-6所示。在裂纹起始区（缺陷根部）可见大量的微观台阶，这些台阶是在局部较大应力集中作用下疲劳裂纹起始时形成的。•在裂纹扩展区为典型的解理断裂，可见珠光体解理形貌，这是在调质组织中常见的疲劳裂纹扩展区形态。•在交变载荷作用下，金属疲劳裂纹的形成一般经过三个阶段。疲劳源形成阶段、裂纹疲劳扩展阶段和失稳扩展（快速断裂）阶段。疲劳源的形成和形成阶段所需载荷交变循环次数对疲劳断裂有很大影响。在光滑零件表面，当交变载荷低于材料的疲劳极限时，疲劳裂纹源难以形成，即不可能发生名义上的疲劳断裂。但当零件表面存在缺陷时，裂纹源即在缺陷导致的应力集中作用下形成。•当缺陷达到一定尺度，尤其是片状缺陷，则缺陷为疲劳断裂过程提供了现成的疲劳源。疲劳断裂不需经过裂纹的萌生期，而直接在缺陷根部扩展，这将极大地缩短零件的疲劳寿命。由于缺陷根部存在较大的应力集中，在其根部可见大量细小疲劳裂纹台阶，而这每一个台阶间即对应一个疲劳裂纹源，疲劳裂纹源的数目可表示为n+1个（n为对应的疲劳台阶数目）。应力集中程度越大，则形成的疲劳台阶数目越多，疲劳裂纹源就越多。分析图8-4的缺陷根部疲劳台阶的数目和形态，可大致确定裂纹首先在A处起裂，而B处和C处的开裂略晚。•由以上分析可以确定，此次断轴的断裂性质为疲劳断裂。疲劳裂纹在断轴危险截面的三处主要缺陷处起裂，然后作低应力扩展。由于所承受载荷为旋转弯曲载荷，因此，在轴的圆周上存在多处开裂点。8.1.3缺陷与断裂原因分析1.缺陷与组织分析•金相组织分析显示，在轴表面有一厚度约0.6mm白亮层。在扫描电镜上对缺陷部位和基体金属进行能谱衍射分析，结果显示在缺陷部位的金属成分与基体相同，主要元素为Fe，有少量的Mn，未发现其他元素成分。•在缺陷处取样，对缺陷纵向的组织进行分析。缺陷部位的组织构成如图8-7所示。图8-7中的组织由三层构成，即表面白亮区、黑色组织区和基体组织。表层白亮组织为细小的P+F组织，黑色组织为淬火的板条M组织，基体组织为F+P+W1。组织分析显示，该部位的组织分布形态为焊接组织。表层为焊接的低碳钢组织，F含量高，而P含量相对很低，组织形态与20钢相同。白亮层以下为45钢（基体）淬火组织。•在焊接表层金属的过程中，在焊接热影响区使基体部分金属温度达到其临界温度，从而在其后的冷却中发生马氏体相变。•缺陷处从表面到基体的硬度值测试结果如图8-8所示，表层白亮区硬度很低，硬度值为220HV0.1，淬火区M的硬度为386HV0.1，基体硬度为250HV0.1。图8-7缺陷处表层组织形态（50×）图8-8硬度测试结果2.缺陷的形成与致断原因分析•由上述实验和分析，可以认为缺陷的形成过程为：该轴安装轴承的轴表面经过表面补焊或堆焊处理，焊接材料为近似20钢。在焊接时，由于轴的台阶结构和散热，在台阶过渡处形成多处虚焊点，即轴上观察到的多处缺陷。这些虚焊表面，形同轴内存在宏观裂纹。轴在运行中，在这些缺陷根部以疲劳裂纹源的形式导致疲劳开裂。•轴的基体组织中P含量偏高，且有明显的w组织。该组织既不同于45钢正常正火组织，也不同于45钢调质组织。组织分析认为，该组织的形成与该轴热处理时加热温度偏高，而冷却时冷速较正常正火冷速快有关。虽然该类组织在此次轴的开裂中不是根本性的因素，但此类组织可降低轴的疲劳强度。尤其该风机设计安装时将风机叶轮由19.5D改为20.5D，增加了轴的负荷，因此，在更换新轴时应注意对轴的热处理规范的控制。•另外，该风机在运行中的振动较其他风机高，会造成振动疲劳与旋转弯曲疲劳的联合作用，也导致轴的疲劳寿命降低。导致该风机振动增加的因素可能与表面焊接时形成的缺陷有关，应注意检查。当更换新轴后的振动依然未能解决，应从安装上查明原因，减小其振动。8.1.4结论（1）此次风机轴断裂为低应力疲劳断裂，断裂由轴表面三处缺陷的根部起始，扩展后汇合形成开裂。（2）轴疲劳开裂的直接原因是在轴的最大受力面有严重的缺陷。（3）缺陷的形成为轴表面焊接时的焊接缺陷造成的。表面焊接材料为近似20钢，在轴的台阶过渡处形成多处虚焊。（4）轴的基体材料组织存在w组织，同时风机运行中振动较大，影响轴的使用寿命，建议加以更改。8．2矿井提升绞车减速齿轮早期开裂分析•某矿主井提升绞车减速器二级齿轮，在安装使用不到2年时发生齿轮齿面开裂，而该设备按设计要求应正常运行15年以上。矿井提升绞车不仅担负着矿井煤炭提升运输的主要任务，而且其付井还承担人员的提升运输，一旦减速器齿轮开裂导致提升机失控，对矿井生产和安全将造成严重影响。因此，有必要对开裂的齿轮进行综合分析，查找造成齿轮开裂的原因，以避免事故的发生。8.2.1开裂齿轮的断口分析1.宏观分析•开裂齿轮的裂纹形态如图8-9所示。齿圈材料为ZG310—570，加工后热压套装在齿箍上。一对齿轮中的一个发生齿面开裂，另一齿轮未发现开裂情况。齿轮开裂已穿透整个齿轮圈，在原过盈力作用下，裂纹最大张开宽度约5mm。齿面裂纹有A、B、C三条，从裂纹尺寸和分布情况，可确定A裂纹为主裂纹。当A裂纹快速扩展穿透整个齿面时，齿间拟合状态破坏，与断齿相邻的两个齿面在传动过程中被挤压开裂。图8-9开裂齿轮形态及齿面上裂纹的分布形态•为了确定齿轮开裂的性质，将开裂齿轮打开，得到的齿轮开裂面形态如图8-10所示。图8-10断口宏观特征•断裂发生在齿轮齿根处。从断面裂纹扩展宏观形态（见图8-10）可以确定，断裂属于疲劳断裂特性。裂纹疲劳扩展区比较光亮，呈半椭圆形形态，可隐约观察到裂纹扩展过程中形成的疲劳弧线。裂纹疲劳扩展到一定尺寸后在外力作用下快速扩展，形成过载开裂形态，在疲劳断裂区边缘有明显的裂纹扩展形成的撕裂棱，开裂面粗糙，有清楚的放射状花样。•整个齿轮的齿面损伤比较严重。在断裂的齿面和没有断裂的齿面上，均有大量的麻点，有的地方已形成剥落坑，见图8-10。2.微观分析•断口疲劳开裂区的微观形貌如图8-11～图8-14所示。图8-11为齿根开裂源区形貌，断面呈现枯木状断裂形态，有许多块状碎裂的夹杂物，其上分布二次裂纹；图8-12所示断口上难以观察到明显的疲劳断裂形成的疲劳条痕，只在局部晶粒上有类似于疲劳条痕的断裂形态；图8-13显示在二次裂纹部位可以观察到裂纹内有较多的碎块状夹杂，两侧晶粒有明显的摩擦痕迹；图8-14表明断面边缘也有明显的磨损挤压形态，局部的微孔深、孔口小，属于夹杂脱落导致。图8-11断口的枯木状形态，有大量的碎块状夹杂和二次裂纹图8-12断面上大晶粒开裂的形态，开裂断面上有断续的疲劳痕迹图8-13二次裂纹形态，裂纹内有碎块状夹杂，裂纹两侧晶粒磨损挤压痕图8-14开裂面边缘形态，表面明显变形、磨损，有小深的微孔8.2.2齿轮材料金相组织与性能硬度分析•为了进一步确定齿轮开裂的原因，在开裂的齿面不同部位取样，进行金相分析，各部位典型组织形态为粗大的铸态组织，如图8-15所示。从图8-15可知，齿轮齿面的组织形态与心部基本相同，组织中存在较大的夹杂物和铸造缺陷，这是导致材料疲劳强度降低的主要因素。C）d）C）心部组织及夹杂物1（500×）d）心部组织及夹杂物2（500×）•取断齿及相邻的轮齿，检验齿轮的硬度，结果列于表8-1和表8-2。齿轮硬度较低，齿面硬度只有30HRC，与齿轮心部硬度相差不大。尤其齿根硬度偏低，只有25HRC。表8-1单齿硬度测试结果（单位：HV0.1）表8-2不同齿的硬度测试结果结果注：齿顶1靠近断口处，齿顶2、3为相邻的齿。8.2.3讨论•上述分析可以确定，齿轮的开裂属疲劳开裂。导致齿轮早期开裂的主要原因是：①齿轮表面尤其是齿根部位硬度偏低，齿轮根部一方面要承受齿轮运转中轮齿啮合时的较大弯曲应力；另一方面，齿轮啮合表面产生较严重的磨损和接触疲劳，形成齿面上的剥落坑，使得齿轮在传动过程中产生冲击和较大的振动，低硬度的齿根不能承受这样的载荷，疲劳裂纹即从轮齿根部形成并扩展。②粗大的铸态组织和夹杂物以及钢中的铸造缺陷提高了裂纹的扩展速率da/dN（mm/次），导致疲劳裂纹快速扩展，加速了断裂的过程。③从齿轮齿面磨损和剥落坑形态以及断齿的疲劳区与最后瞬断区的比例可以看出，齿轮的实际运行载荷较大，为裂纹的形成和扩展提供了力学条件。•大量的实验表明，承受交变载荷的零件表面硬度对零件的疲劳寿命有很大影响。本分析中，齿轮轮齿表层硬度与轮齿中心硬度基本相同。而日齿根的硬度还低于齿顶和齿面的硬度，可见该齿轮加工后没有进行有效的热处理，即使对表面进行了火焰淬火处理，也因淬硬层薄，起不到明显改善材料疲劳强度的作用。•普遍认为钢中的缺陷对疲劳强度有较大的影响，这一影响要比对静载强度的影响大得多，金属的疲劳极