(寧波鋼鐵有限公司 制造管理部, 寧波 315807)

十字萬向關(guān)節(jié)斷裂原因分析

孫宇紅

(寧波鋼鐵有限公司 制造管理部, 寧波 315807)

某熱軋機用十字萬向關(guān)節(jié)在非關(guān)鍵受力處發(fā)生斷裂。通過宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗、斷口分析等方法，分析了該十字萬向關(guān)節(jié)的斷裂原因。結(jié)果表明：十字萬向關(guān)節(jié)斷裂的主要原因為，材料內(nèi)部存在孔洞群及大顆粒非金屬夾雜物，成為裂紋源，并在往復(fù)運行中產(chǎn)生疲勞斷裂；斷裂的次要原因為材料內(nèi)部非金屬夾雜物較多，材料的強度和韌性均較差。

十字萬向關(guān)節(jié)；斷裂；應(yīng)力集中；非金屬夾雜物；孔洞

十字萬向關(guān)節(jié)是熱軋廠連接軋輥和電機的萬向傳動裝置，設(shè)備運行時，十字萬向關(guān)節(jié)隨著扭矩前后交替轉(zhuǎn)動，不易磨損斷裂。一般情況下，一臺萬向關(guān)節(jié)可以使用3～5 a(年)不會斷裂，因此除了年休時定期檢修保養(yǎng)外不需要額外養(yǎng)護。

某十字萬向關(guān)節(jié)由ZG35CrMo鋼鑄造成型，僅安裝3個月后在軋機運行過程中發(fā)生意外斷裂，如圖1所示，導(dǎo)致軋輥損壞，鋼卷在軋制過程中緊急停止，造成在線鋼卷報廢，同時整個軋線停止運行數(shù)小時，給公司造成了巨大的經(jīng)濟損失，屬于嚴重的生產(chǎn)事故。

圖1 斷裂十字萬向關(guān)節(jié)外觀Fig.1 Appearance of the fractured cross universal joint

筆者通過對該十字萬向關(guān)節(jié)進行一系列理化檢驗和分析，尋找其斷裂原因，并對后期設(shè)備采購和驗收提出要求，控制故障源頭，以防類似事故的再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1宏觀觀察

該十字萬向關(guān)節(jié)的兩個斷口如圖2所示，分別對兩個斷口進行宏觀觀察，如圖3～4所示?？梢?號斷口較光滑，有明顯的疲勞區(qū)和擴展區(qū)，在試樣外側(cè)垂直斷口方向有清晰的裂紋(圖5)。圖3b)中的凸起為裂紋源，在轉(zhuǎn)動過程中，在凸起位置產(chǎn)生開裂，同時裂紋向內(nèi)延伸，形成疲勞貝紋線。試樣變形后失衡，1號斷口產(chǎn)生開裂，有放射狀臺階條紋，同時2號斷口處受力。在2號斷口內(nèi)部有φ10 mm左右不規(guī)則的孔洞，見圖4b)，此處為2號斷口的裂紋源，裂紋在外力作用下向外延伸，最終導(dǎo)致十字萬向關(guān)節(jié)斷裂。

圖2 十字萬向關(guān)節(jié)斷口形貌Fig.2 Morphology of fracture surface of the cross universal joint

圖3 1號斷口及裂紋源形貌Fig.3 Morphology of No.1 fracture surface and crack source:a) fracture surface; b) crack source

圖4 2號斷口及裂紋源形貌Fig.4 Morphology of No.2 fracture surface and crack source:a) fracture surface; b) crack source

圖5 十字萬向關(guān)節(jié)外側(cè)裂紋形貌Fig.5 Morphology of cracks on the outside of thecross universal joint

1.2化學(xué)成分分析

十字萬向關(guān)節(jié)的材料為ZG35CrMo鋼，從斷裂件上取樣，根據(jù)JB/T 6402-2006《大型低合金鋼鑄件》[1]中的要求，對其化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表1。由結(jié)果可見，材料中的碳和鉬元素含量偏高，而鉻元素含量明顯低于標準要求。由于碳和鉬在鋼中起到固溶強化的作用，碳和鉬元素含量偏高會增加材料的強度，但同時會降低材料的塑性和韌性；而鉻元素含量偏低則會導(dǎo)致材料的耐腐蝕性和抗氧化性降低。

表1 十字萬向關(guān)節(jié)的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the cross universal joint (mass fraction) %

1.3力學(xué)性能測試

在該十字萬向關(guān)節(jié)上縱向截取沖擊試樣進行室溫沖擊試驗，并對其橫截面進行硬度測試，結(jié)果如表2所示。 結(jié)果顯示，試樣的沖擊吸收能量明顯偏低，且沖擊斷口為脆性的沿晶斷口。

表2 十字萬向關(guān)節(jié)沖擊試驗和硬度試驗結(jié)果Tab.2 Results of impact test and hardness testof the cross universal joint

1.4金相檢驗

取十字萬向關(guān)節(jié)基體制備試樣進行金相檢驗，可見其顯微組織為馬氏體+少量鐵素體(圖6)，材料內(nèi)部存在肉眼可見大的和細小的孔洞(圖7)及顆粒狀氧化鋁夾雜物(圖8)。對試樣中的孔洞進一步觀察，可以看到孔洞處組織被孔洞分割且孔洞疊加相連，使材料表現(xiàn)為孔洞群形貌(圖9)。

圖6 十字萬向關(guān)節(jié)的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the cross universal joint

圖7 十字萬向關(guān)節(jié)組織中的孔洞形貌Fig.7 Morphology of pinholes in structure of the cross universal joint

圖8 十字萬向關(guān)節(jié)組織中的非金屬夾雜物的形貌Fig.8 Morphology of non-metallic inclusions in structureof the cross universal joint

圖9 十字萬向關(guān)節(jié)組織中的孔洞群形貌Fig.9 Morphology of voids in structureof the cross universal joint

1.5斷口分析

使用掃描電鏡對1號、2號斷口進行微觀觀察，可以看到在1號斷口裂紋源處存在大塊非金屬夾雜物，見圖10a)，能譜分析該處為氧化鋁及硅酸鹽夾雜物，見圖10b)。結(jié)合1號斷口的宏觀形貌分析，可以推斷1號位置處由大塊非金屬夾雜物產(chǎn)生裂紋源，并在設(shè)備運行過程中沿受力方向擴展，最終導(dǎo)致斷裂。2號斷口的裂紋源為材料內(nèi)部孔洞，見圖11，裂紋由孔洞向周圍擴展，直至斷裂。

圖10 1號斷口夾雜物形貌及能譜圖Fig.10 Morphology and energy spectrum of inclusions inNo.1 fracture surface:a) morphology; b) energy spectrum

圖11 2號斷口裂紋源微觀形貌Fig.11 Micro morphology of crack source in No.2 fracture surface

2 分析與討論

斷裂的十字萬向關(guān)節(jié)屬于鑄造件，顯微組織為馬氏體+鐵素體，鋼材本身質(zhì)量較差，存在較多的氧化鋁、硅酸鹽夾雜物及大尺寸的孔洞，嚴重降低了鋼的疲勞性能，同時也降低了鋼的韌性和塑性[2]。嚴重的內(nèi)部缺陷導(dǎo)致材料產(chǎn)生應(yīng)力集中[3-4]，嚴重損害了十字萬向關(guān)節(jié)的疲勞性能。另外，由于材料本身由鑄造成型，沒有經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，內(nèi)部組織晶粒粗大[5]，脆性較高，在使用過程中也易導(dǎo)致裂紋擴展直至斷裂。

該十字萬向關(guān)節(jié)1號斷口的裂紋源為初始裂紋源，也是零件斷裂的主要原因。在設(shè)備運行過程中，大顆粒的非金屬夾雜物產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為裂紋源，并在往復(fù)運行中導(dǎo)致疲勞開裂。2號斷口的裂紋源為衍生裂紋源，由于材料內(nèi)部非金屬夾雜物和孔洞較多，材料的強度和韌性均較差，在1號斷口疲勞開裂的過程中，在非金屬夾雜物和孔洞周邊產(chǎn)生裂紋并擴展，最終導(dǎo)致十字萬向關(guān)節(jié)斷裂，這是零件斷裂的次要原因。

3 結(jié)論及建議

該十字萬向關(guān)節(jié)斷裂的主要原因為，材料內(nèi)部存在孔洞群及大顆粒非金屬夾雜物，成為裂紋源，并在往復(fù)運行中產(chǎn)生疲勞開裂；斷裂的次要原因為，材料內(nèi)部的非金屬夾雜物較多，材料的強度和韌性均較差，導(dǎo)致十字萬向關(guān)節(jié)斷裂。

建議對庫存的十字萬向關(guān)節(jié)進行無損探傷檢測，不再使用存在氣泡和孔洞缺陷的備件，避免造成生產(chǎn)安全事故。

[1] JB/T 6402-2006 大型低合金鋼鑄件[S].

[2] 趙偉華,周澤華,余孝德,等.QT400-18L鑄件的縮松缺陷對其力學(xué)性能的影響[J].理化檢驗-物理分冊,2011,47(9):546-549.

[3] 張玉庭.熱處理手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007:533-540.

[4] 孟文華,曾偉傳,顧靜青,等.10.9級螺栓早期疲勞斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2017,53(5):365-367.

[5] 姚兵印,張志博,馬劍民,等. 風(fēng)力發(fā)電機組葉片連接高強螺栓的斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(5):339-344.

AnalysisonFractureReasonsoftheCrossUniversalJoint

SUNYuhong

(Manufacturing Management Department, Ningbo Steel Co., Ltd., Ningbo 315807, China)

The cross universal joint for a hot rolling machine fractured at the position without high stress. The fracture reasons of the cross universal joint were analyzed by means of macroscopic observation, chemical composition analysis, mechanical property testing, metallographic examination and fracture analysis. The results show that: the main cause of fracture of the cross universal joint was the existing of voids and bulky non-metallic inclusions in the material, which resulted in crack source and fatigue cracking during reciprocating motion; the minor cause of the fracture was that a large number of non-metallic inclusions existed in the material, which resulted in the poor strength and toughness.

cross universal joint; fracture; stress concentration; non-metallic inclusion; pinhole

10.11973/lhjy-wl201711013

2017-01-03

孫宇紅(1970-)，女，高級工程師，碩士，主要從事金屬材料失效分析工作，sunyuhongljp@163.com

TG142.41; TG115.2

B

1001-4012(2017)11-0822-04