扶梯軸承斷裂失效分析

某電梯扶手驅(qū)動(dòng)軸在運(yùn)行中斷裂，斷裂位置為軸與齒輪配合處，對(duì)斷裂進(jìn)行斷裂失效原因分析。

斷裂軸的宏觀形貌檢查，斷裂位置為軸與齒輪配合處，見圖11-113所示。

斷裂面的斷口宏觀檢查，可見斷口表面已有銹蝕痕跡，斷面外圈較平整、光滑，左上方有一粗糙區(qū)域，表面呈金屬本色，粗糙區(qū)域外側(cè)有明顯的海灘花樣，見圖11-114所示。

   圖11-113斷裂軸宏觀形貌                  圖11-114 裂處斷口宏觀形貌

對(duì)斷口檢查，可見整個(gè)斷面基本平整，與軸向垂直，附近無明顯塑性變形痕跡，斷面宏觀形貌如圖11-115所示。為便于進(jìn)一步觀察，將斷面分為A、B、C、D、E、F、G、H八個(gè)區(qū)域進(jìn)行描述

             圖11-115  斷面宏觀形貌

（1）斷面A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)微觀形貌

斷面A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)微觀形貌，見圖11-116、圖11-117、圖11-118所示，可見斷口表面有明顯的磨損擠壓痕跡。

圖11-116 斷面A區(qū)微觀形貌            圖11-117  斷面B區(qū)微觀形貌

、

圖11-118   斷面C區(qū)微觀形貌

（2）斷面D、E、F區(qū)微觀形貌

斷面D、E、F區(qū)微觀形貌，見圖11-119、圖11-120、圖11-121所示，可見明顯的疲勞條帶，根據(jù)不同區(qū)域的疲勞條帶方向可知，疲勞裂紋是由斷面邊緣的臺(tái)階向斷面左上方的粗糙區(qū)域擴(kuò)展的。

圖11-115中紅色箭頭所示即為不同疲勞裂紋的擴(kuò)展方向。

圖11-119   斷面D區(qū)的疲勞條帶           圖11-120 斷面E區(qū)的疲勞條帶

圖11-121  斷面F區(qū)的疲勞條帶

（3）斷面G區(qū)微觀形貌

斷面G區(qū)微觀形貌，見圖11-122所示，可見明顯的準(zhǔn)解理斷裂形貌。

圖11-122  斷面G區(qū)的準(zhǔn)解理斷裂形貌

（4）斷面H區(qū)微觀形貌

斷面H區(qū)微觀形貌，見圖11-123所示，可見明顯的剪切韌窩，為終斷區(qū)。

圖11-123斷面H區(qū)微觀形貌

斷口附近橫截面進(jìn)行低倍檢查：

根據(jù)“GB/T 1979-2001結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖”規(guī)定，評(píng)定為中心疏松2級(jí)，無明顯異常，見圖11-124所示。

圖11-124 斷口附近橫截面宏觀金相

對(duì)失效件的心部進(jìn)行金相組織檢查：

金相組織為索氏體+屈氏體+網(wǎng)狀、塊狀鐵素體，說明心部未完全淬透，如圖11-125所示。

斷口相鄰圓角處的金相組織檢查，可見圓角半徑約0.2mm，見圖11-126所示。

圖11-125 心部金相組織           圖11-126斷口相鄰圓角處金相組織

對(duì)失效件進(jìn)行硬度試驗(yàn)，硬度技術(shù)要求為210～250HB；硬度試驗(yàn)結(jié)果：235HB、231HB、223 HB，符合技術(shù)要求范圍。

采用直讀光譜法對(duì)失效件進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果符合“GB/T 699-1999 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼”標(biāo)準(zhǔn)的45鋼技術(shù)要求。

驅(qū)動(dòng)軸斷裂軸處的設(shè)計(jì)圖紙，見圖11-127 a，斷裂位于圖中紅色箭頭所指處，該處為兩段軸過渡的臺(tái)階;右側(cè)為臺(tái)階處的放大圖像，見圖11-127 b，該處設(shè)計(jì)成半徑為0.5mm的圓角過渡。

根據(jù)圖紙要求，該軸熱處理方式為整體調(diào)質(zhì)，硬度HB210-250。

           a  驅(qū)動(dòng)軸斷裂軸處的設(shè)計(jì)圖紙            b  箭頭處放大

圖11-127（a、b） 失效件斷裂處的設(shè)計(jì)圖紙

驅(qū)動(dòng)軸斷裂處的心部金相組織為索氏體+屈氏體+網(wǎng)狀和塊狀鐵素體，反映出調(diào)質(zhì)過程中心部未完全淬透，說明驅(qū)動(dòng)軸的熱處理有一定問題。

斷裂軸心部硬度值為HB 235、231、223，符合產(chǎn)品（HB210～250）的技術(shù)要求；化學(xué)成分檢測顯示材質(zhì)為45#鋼，也符合技術(shù)要求。但斷裂軸的組織不是調(diào)質(zhì)組織，說明驅(qū)動(dòng)軸的硬度值技術(shù)要求過低。

斷口形貌顯示，斷面存在明顯的疲勞條帶，呈典型疲勞斷裂特征；疲勞源位于斷口邊緣臺(tái)階處，疲勞裂紋由邊緣向心部擴(kuò)展，符合交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下的疲勞斷裂特征。疲勞源呈線源特征，線源疲勞是應(yīng)力集中引起疲勞失效的重要特征。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)面積約占整個(gè)斷面面積的三分之二，終斷區(qū)所占面積較小。

疲勞源區(qū)位于兩段軸過渡的臺(tái)階位置，該處為典型的應(yīng)力集中區(qū)域，根據(jù)“GB/T 6403.4-2008 零件倒圓與倒角”中附錄B的有關(guān)規(guī)定，直徑φ70的軸類零件其倒圓的推薦值為2.0mm。然而，根據(jù)圖紙，斷裂處圓角設(shè)計(jì)值僅為0.5mm，且實(shí)際加工尺寸僅為0.2mm左右，遠(yuǎn)未滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，可能加工時(shí)沒有進(jìn)行R加工，使倒角處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

綜上所述，該驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)要求的硬度值過低；臺(tái)階位置的倒角過?。辉诩庸み^程中還存在熱處理工藝不當(dāng)，調(diào)質(zhì)組織不是索氏體，還有屈氏體、網(wǎng)狀和塊狀鐵素體；兩段軸過渡的臺(tái)階圓角實(shí)際加工尺寸太小，僅為0.2mm左右，使軸在交變載荷作用下首先在應(yīng)力集中的圓角處形成疲勞源。雖然驅(qū)動(dòng)軸承受的應(yīng)力較小，但是驅(qū)動(dòng)軸的金相組織不合格，硬度值過低，強(qiáng)度也低，使驅(qū)動(dòng)軸不能承受較大應(yīng)力。在應(yīng)力集中處當(dāng)疲勞裂紋產(chǎn)生后，在交變應(yīng)力作用下，疲勞裂紋在構(gòu)件服役過程中不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)軸最終疲勞斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1） 驅(qū)動(dòng)軸的斷裂性質(zhì)是在交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下的高周疲勞斷裂。

（2） 驅(qū)動(dòng)軸出現(xiàn)疲勞斷裂的原因是臺(tái)階位置的倒角過小，造成圓角處應(yīng)力集中，應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞裂紋，在交變應(yīng)力作用下疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)軸疲勞斷裂。

（3） 疲勞斷裂與臺(tái)階位置的倒角設(shè)計(jì)過小，與加工時(shí)沒有進(jìn)行R尺寸的檢查有關(guān)；還與設(shè)計(jì)要求的硬度值過低，組織不合格有關(guān)。

（4） 提高驅(qū)動(dòng)軸的硬度值要求，增加熱處理后的組織檢查。

（5） 適當(dāng)增大軸肩過渡處的圓角半徑，加工后增加圓角半徑檢查。

（6） 熱處理后表面處理前采用噴砂強(qiáng)化工藝，增加構(gòu)件的抗疲勞能力。