摘　要：某減速機(jī)使用30多小時(shí)后，齒輪減速機(jī)軸發(fā)生彎曲,，該軸在進(jìn)行冷校直時(shí)發(fā)生斷裂,。通過(guò)對(duì)斷裂軸的斷口宏微觀分析、金相檢驗(yàn)以及硬度測(cè)定,，認(rèn)為該軸是在應(yīng)力集中條件下承受對(duì)稱旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用,，產(chǎn)生早期疲勞斷裂。造成疲勞斷裂的原因是由于熱處理工藝不合理,，致使材料力學(xué)性能未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,，導(dǎo)致軸的疲勞抗力降低，加之圓角加工較差,，工作時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中,，加速了軸的疲勞斷裂。
關(guān)鍵詞：減速機(jī);軸;疲勞斷裂;退刀槽

某煤礦從國(guó)外購(gòu)進(jìn)的減速機(jī),，安裝使用30h余后,齒輪減速機(jī)軸發(fā)生彎曲,無(wú)法正常使用,在對(duì)彎曲的減速機(jī)軸進(jìn)行冷校直時(shí),，軸突然發(fā)生斷裂。

查閱減速機(jī)軸的有關(guān)技術(shù)資料,該軸采用17CrNiMo6鋼制造,，軸整體經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,，表面進(jìn)行中頻處理,，使軸表面及退刀槽根部洛氏硬度達(dá)到59～62HRC。

1　理化檢驗(yàn)

1.1　斷軸宏觀分析

斷裂位于減速機(jī)軸表面退刀槽根部,，見(jiàn)圖1,。


圖1　軸斷裂位置（mm）



圖2　宏觀斷口形貌

宏觀斷口見(jiàn)圖2,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)三個(gè)區(qū)域組成,。

仔細(xì)觀察斷口裂紋源區(qū),其表面較平坦，尺寸在距表面5mm范圍內(nèi)（圖2A處）,。裂紋擴(kuò)展區(qū)貝紋線比較扁平,。瞬間斷裂區(qū)在裂源的對(duì)面，呈橢圓形,，斷口形貌為纖維狀,，表明減速機(jī)軸主要受旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力。斷口瞬斷區(qū)域較小,、較圓約占整個(gè)斷口面積的1/6,，說(shuō)明軸整體受力較小，屬典型的高周疲勞斷裂,。由疲勞區(qū)及貝紋線的形態(tài)可知,疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中兩側(cè)較快,，說(shuō)明退刀槽根部有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

1.2　斷口微觀分析

用AMRAY21000B型掃描電鏡觀察樣品斷口,，斷裂起源于軸表面退刀槽根部,，該處有機(jī)加工刀痕，見(jiàn)圖3 裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞條紋,，見(jiàn)圖4 瞬斷區(qū)為細(xì)小韌窩,。


圖3　斷裂源形貌



圖4　裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞條紋　


1.3　化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析試樣取自斷口附近,分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）列于表1,化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

表1 失效軸的化學(xué)成分



1.4　洛氏硬度檢測(cè)

在斷口附近取樣,，將橫截面磨平,，從邊緣向心部逐點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)定，結(jié)果均在36～37HRC范圍內(nèi),；沿軸的縱向表面測(cè)定硬度,，結(jié)果在38～39HRC范圍內(nèi)。從硬度結(jié)果看出,，軸的表面硬度與心部硬度相近,且均低于設(shè)計(jì)要求,。

1.5　金相檢驗(yàn)

在裂源附近取樣進(jìn)行金相分析，非金屬夾雜物為A2,，B1,，D1e（按GB10561-1989評(píng)定）；晶粒度7.5級(jí)（按GB6394-1986評(píng)定）,；疲勞源區(qū)及表面與心部顯微組織均為回火索氏體,。通過(guò)金相組織分析,認(rèn)為該軸是在調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)下,未經(jīng)任何表面處理直接投入使用的,。

2　分析與討論

（1）減速機(jī)軸縱向表面與軸橫端面的洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果表明，失效軸硬度值在36～39HRC,，遠(yuǎn)低于技術(shù)要求的59～62HRC,，顯然與設(shè)計(jì)要求不符。

（2）該軸從表面至心部的組織為回火索氏體,說(shuō)明該軸是在調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)下使用的,，這與所測(cè)得軸的洛氏硬度相吻合,。軸的工作狀態(tài)要求其表面硬度較高、耐磨,心部硬度相對(duì)較低,，韌性較好,。通常情況，軸表面一般經(jīng)高頻或中頻處理后才使用[1],，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,。

（3）從減速機(jī)軸斷裂的位置看，疲勞起源于軸的退刀槽應(yīng)力集中處,。從微觀斷口看,，有明顯的三個(gè)區(qū)域即裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū),，屬典型的疲勞斷裂,。斷口貝紋線比較扁平，裂紋擴(kuò)展前沿線兩側(cè)的裂紋擴(kuò)展速度較大,，瞬斷區(qū)在裂紋源的對(duì)面,，由此可見(jiàn),失效軸主要受旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力。而從瞬斷區(qū)較小較圓看,失效軸整體受力較小[2],。根據(jù)上述斷口分析結(jié)果及斷裂形貌,，認(rèn)為軸斷裂屬中等名義應(yīng)力集中條件的旋轉(zhuǎn)彎曲產(chǎn)生的疲勞斷裂。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,，加上退刀槽應(yīng)力集中，使軸在正常工作應(yīng)力下在退刀槽處過(guò)早的產(chǎn)生疲勞裂紋,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，并產(chǎn)生彎曲,當(dāng)進(jìn)行冷校直時(shí),，對(duì)軸的凸起方向施加一定向下的外力時(shí),，導(dǎo)致軸的斷裂。

3　結(jié)論

減速機(jī)軸斷裂是由于熱處理工藝不合理致使材料力學(xué)性能低于設(shè)計(jì)要求,，以及退刀槽底部有應(yīng)力集中存在,，造成軸的疲勞強(qiáng)度降低,，產(chǎn)生疲勞裂紋和彎曲變形，在校直過(guò)程中發(fā)生斷裂,。