摘 要：本文通過(guò)對(duì)自動(dòng)扶梯的斷裂銷軸和未斷裂銷軸進(jìn)行化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)、金相組織分析和斷口分析，得出銷軸的斷裂失效模式。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯銷軸 斷裂 硬度檢測(cè) 失效分析

自動(dòng)扶梯在日常生活中的使用非常普遍，因此一旦發(fā)生失效，會(huì)造成不同程度的人員傷害。筆者一方受某單位委托，對(duì)某自動(dòng)手扶梯在下行過(guò)程中，其中一根銷軸發(fā)生斷裂的失效事故進(jìn)行檢測(cè)分析。從該自動(dòng)手扶梯的技術(shù)規(guī)格書(shū)可知，斷裂銷軸材料為20CrMo鋼；經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理，硬度要求為60±2HRC；銷軸材料的抗拉強(qiáng)度δb為400N/mm2。

委托單位要求筆者方對(duì)其斷軸和另一根正常的未斷軸進(jìn)行化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)、金相組織分析和斷口分析，以確定斷裂銷軸是否符合相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和指出銷軸的斷裂失效模式。

一、送檢樣品的外觀檢查和現(xiàn)場(chǎng)分析

送檢樣品以及事故現(xiàn)場(chǎng)梯級(jí)鏈上銷軸斷口的外觀形貌如圖1所示。

圖1為送檢斷軸的外觀形貌。經(jīng)測(cè)量，未斷軸大頭部分長(zhǎng)約70mm，直徑28.90mm，小頭部分長(zhǎng)約95mm，直徑為14.82mm；斷軸長(zhǎng)約92mm，直徑為14.80mm。銷軸斷裂部位發(fā)生在R位處。銷軸小頭一側(cè)表面較光滑，但R位處或斷口面處可見(jiàn)明顯車刀痕。

根據(jù)自動(dòng)手扶梯的結(jié)構(gòu)，銷軸大頭部分通過(guò)過(guò)盈配合安裝在梯級(jí)鏈上，即銷軸在正常運(yùn)行和斷裂后均未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。據(jù)此，通過(guò)對(duì)銷軸的斷口分析，可確定銷軸斷裂時(shí)的受力方向與銷軸正常運(yùn)行時(shí)的受力方向的關(guān)系。

二、失效分析及結(jié)果

1.化學(xué)成分分析

分別在斷軸和未斷軸中心鉆屑取樣，根據(jù)GB/T 20123-2006和GB/T 20125-2006，進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。表中同時(shí)列出GB標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 3077-1999）20CrMo鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分，以供比較。

與現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)成分含量相比，斷軸和未斷軸材料的化學(xué)成分均在GB標(biāo)準(zhǔn)20CrMo鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分范圍之內(nèi)；斷軸和未斷軸材料化學(xué)成分含量相似，應(yīng)為同批次材料；銷軸材料符合自動(dòng)手扶梯銷軸材料牌號(hào)的技術(shù)要求。

2.硬度檢測(cè)

（1）表面和心部硬度檢測(cè)（洛氏硬度）。根據(jù)GB/T 230.1-2009對(duì)銷軸表面和心部進(jìn)行硬度檢測(cè)。表面硬度檢測(cè)在銷軸小頭一側(cè)圓柱面表面上進(jìn)行；心部硬度檢測(cè)在距銷軸小頭端部10mm處的橫截面上進(jìn)行，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

由檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，銷軸表面硬度符合銷軸的硬度要求（60±2HRC）；銷軸心部硬度為37.5～41.5HRC，根據(jù)GB/T1172-1999，其強(qiáng)度相當(dāng)于1139～1289 N/mm2，高于銷軸材料的強(qiáng)度要求（400 N/mm2）。

（2）表面硬化層硬度分布檢測(cè)（維氏硬度）。由金相組織分析可知銷軸表面經(jīng)過(guò)滲碳處理，根據(jù)GB/T 4340.1-2009和GB/T 9450-2005，對(duì)銷軸表面硬化層硬度分布進(jìn)行檢測(cè)。斷軸檢測(cè)部位為距銷軸斷口面20mm處橫截面上，未斷軸檢測(cè)部位為小頭一側(cè)距R位10mm處橫截面上。檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)繪制成的硬度分布曲線如圖2所示。

根據(jù)GB/T 9450-2005，可知斷軸的有效硬化層深度為870μm，未斷軸的有效硬化層深度為890μm。斷軸和未斷軸滲碳層深度相似。

3.材料原始顯微組織分析

根據(jù)GB/T 13298-1991，在試樣上制取金相分析試樣并進(jìn)行材料顯微組織分析。

（1）銷軸小頭一側(cè)。在斷軸小頭一側(cè)近斷口面處制取徑向和軸向金相分析試樣。斷軸心部徑向金相組織為“板條狀回火馬氏體+貝氏體+少量游離鐵素體”，存在帶狀組織偏析。斷軸近表面組織屬于滲碳組織，為“針狀回火馬氏體+少量殘余奧氏體+少量碳化物”。

（2）銷軸R位處。在未斷軸R位處制取徑向金相分析試樣，在銷軸R位圓弧段表面均存在內(nèi)氧化組織，最大深度約為5μm；內(nèi)氧化組織呈沿晶分布；在銷軸光滑段未見(jiàn)內(nèi)氧化組織，可能與銷軸滲碳處理后經(jīng)過(guò)磨削加工有關(guān)；銷軸R位表面均未見(jiàn)脫碳和過(guò)熱的熱處理質(zhì)量缺陷。內(nèi)氧化組織是在滲碳處理時(shí)形成的，銷軸R位處的內(nèi)氧化組織將增加銷軸的缺口敏感性。

4.斷口分析

（1）宏觀斷口分析。為判斷銷軸的斷裂方向與銷軸正常運(yùn)行時(shí)的受力方向之間的關(guān)系，把清洗前后的銷軸斷口面宏觀形貌進(jìn)行對(duì)比，由清洗后的斷口面可見(jiàn)，銷軸斷裂源與銷軸斷口面上油污所處的部位一致。手扶梯正常運(yùn)行時(shí)，處于下行狀態(tài)的銷軸R位處承受著與梯級(jí)運(yùn)行方向相同的彎曲應(yīng)力，根據(jù)銷軸的初始斷裂方向，可知銷軸是在正常受力情況下發(fā)生斷裂的。

斷裂面未發(fā)現(xiàn)疲勞斷口特征，斷裂屬于一次性斷裂。

（2）微觀斷口分析。用掃描電鏡（SEM）進(jìn)一步觀察斷口形貌，開(kāi)裂源區(qū)車刀痕明顯，斷口面與車刀痕方向平行，表明銷軸斷裂起源于車刀痕。開(kāi)裂源區(qū)斷口微觀形貌主要為“解理斷口+準(zhǔn)解理斷口+沿晶斷口”，終斷區(qū)斷口微觀形貌主要為“沿晶斷口”，均為脆性斷口。終斷區(qū)的“沿晶斷口”與銷軸最后斷裂時(shí)應(yīng)變速率較快有關(guān)。

在開(kāi)裂源區(qū)滲碳層的擴(kuò)散區(qū)可見(jiàn)撕裂韌窩，該特征表明斷口為撕裂型斷裂，撕裂方向與宏觀斷口擴(kuò)展方向一致。銷軸心部斷口微觀特征主要為“解理斷口+準(zhǔn)解理斷口+少量韌窩”，屬于脆性斷口特征。整個(gè)斷裂面以脆性斷口為主，占90%以上，表明材料脆性較大。

三、結(jié)論

第一，斷軸材料化學(xué)成分符合GB標(biāo)準(zhǔn)20CrMo鋼的化學(xué)成分要求。

第二，斷軸材料表面硬度符合其產(chǎn)品技術(shù)要求，心部硬度高于其產(chǎn)品技術(shù)要求。

第三，斷軸材料脆性較大，缺口敏感性高，在R位處存在內(nèi)氧化及明顯車刀痕等缺陷將增加銷軸發(fā)生脆性開(kāi)裂

傾向。

第四，斷軸是在正常受力情況下的一次性斷裂。

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（作者單位：廣東省機(jī)械高級(jí)技工學(xué)校）