封小亮, 劉課秀, 李露水, 馬 括

(廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院, 廣州 510663)

軸桿是機(jī)械產(chǎn)品中最重要的零件之一，工作條件復(fù)雜，失效事故時(shí)有發(fā)生，失效形式也不盡相同，加工、熱處理、表面處理、裝配、維修等環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題均可造成軸桿的早期失效[1-6]，而突發(fā)性失效事件將對(duì)企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，并對(duì)人身安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

增厚堆焊是通過(guò)熔敷一定厚度的金屬，修復(fù)機(jī)械設(shè)備工作表面磨損部分和金屬表面殘缺部分的一種方法[7]。堆焊常被用于軸類零部件的表面增厚處理，但涉及焊材選取、焊接電流、加熱方式以及焊后機(jī)械加工等環(huán)節(jié)，因此堆焊件經(jīng)常發(fā)生不同形式的失效問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)某汽車廠在用的MITSUYA風(fēng)機(jī)，因長(zhǎng)期運(yùn)行使用，該風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸(簡(jiǎn)稱風(fēng)機(jī)軸)軸頸與套筒之間出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，無(wú)法滿足配合需求而會(huì)發(fā)生相互滑動(dòng)，經(jīng)表面堆焊修復(fù)繼續(xù)使用幾天后，風(fēng)機(jī)軸出現(xiàn)早期斷裂，其堆焊焊接工藝不詳。風(fēng)機(jī)軸材料牌號(hào)為S45C，制造與熱處理工藝不明，風(fēng)機(jī)軸出廠時(shí)間超過(guò)10 a，材料參數(shù)參考JIS G4051-1979《機(jī)械結(jié)構(gòu)用碳素鋼材》。經(jīng)宏觀觀察初步判斷斷裂為多源疲勞斷裂，為進(jìn)一步確認(rèn)失效原因，對(duì)斷裂風(fēng)機(jī)軸進(jìn)行了宏觀觀察、化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試、顯微組織觀察和斷口分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

風(fēng)機(jī)軸斷口位于軸頸與軸身的變徑位置(軸肩位置)，斷裂風(fēng)機(jī)軸的宏觀形貌見(jiàn)圖1。經(jīng)測(cè)量，風(fēng)機(jī)軸軸身和軸頸直徑分別為55 mm和60 mm，風(fēng)機(jī)軸長(zhǎng)度約為1 100 mm，取出軸頸套筒后發(fā)現(xiàn)橫跨軸頸與軸身的鍵槽尺寸約為25 mm×8 mm×4 mm。對(duì)軸頸側(cè)斷口進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，斷口表面無(wú)宏觀塑性變形，斷口表面齊平、光滑，沿?cái)嗫谶吘壏植加?號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)共4個(gè)斷裂棘輪臺(tái)階，1號(hào)臺(tái)階起源于軸肩和鍵槽的交錯(cuò)位置，圖2a)方框處為最后斷裂區(qū)。斷口邊緣可見(jiàn)由軸頸表面向軸肩延伸的堆焊層，斷口邊緣沿堆焊焊趾起伏分布，軸肩凹凸不平，根部未見(jiàn)圓角過(guò)渡，見(jiàn)圖2b)。采用體視顯微鏡觀察斷口，可見(jiàn)2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)共4個(gè)斷裂棘輪臺(tái)階均起源于軸頸堆焊焊趾位置，其中3號(hào)棘輪臺(tái)階可見(jiàn)沿焊趾向軸心方向擴(kuò)展的裂紋，見(jiàn)圖2c)。軸頸外表面存在大量孔洞缺陷，見(jiàn)圖2d)。

圖1 斷裂風(fēng)機(jī)軸的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured ventilator shaft

圖2 斷裂風(fēng)機(jī)軸斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of broken ventilator shaft:a) fracture surface; b) surfacing welding layer; c) 3# ratchet mark; d) hole on journal surface

1.2 化學(xué)成分分析

按照GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，對(duì)風(fēng)機(jī)軸的化學(xué)成分進(jìn)行分析，檢測(cè)結(jié)果均符合JIS G4051-1979中對(duì)S45C鋼的成分要求，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)機(jī)軸的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of ventilator shaft

1.3 拉伸試驗(yàn)

在風(fēng)機(jī)軸半徑的1/2處截取兩個(gè)縱向拉伸試樣，按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。參考標(biāo)準(zhǔn)JIS G4051-1979對(duì)S45C鋼正火態(tài)的力學(xué)性能要求，可見(jiàn)風(fēng)機(jī)軸的屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值，抗拉強(qiáng)度(Rm)和斷后伸長(zhǎng)率(A)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 風(fēng)機(jī)軸室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Tensile test results of ventilator shaft

1.4 顯微組織觀察

在軸頸位置截取橫截面試樣，在軸肩位置截取縱截面試樣，經(jīng)4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精浸蝕后，依據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，進(jìn)行顯微組織觀察。圖3為風(fēng)機(jī)軸軸頸橫截面和軸肩縱截面的顯微組織。經(jīng)軸頸外表面堆焊后，軸頸橫截面最外層為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體的焊縫組織，見(jiàn)圖3a)。焊縫內(nèi)側(cè)可見(jiàn)大量堆焊形成的過(guò)熱魏氏組織及淬硬馬氏體組織，見(jiàn)圖3b)。軸頸心部為塊狀鐵素體+珠光體組織，珠光體片層結(jié)構(gòu)清晰，局部嚴(yán)重偏析，見(jiàn)圖3c)。觀察軸肩縱截面試樣發(fā)現(xiàn)，經(jīng)軸頸外表面堆焊后，軸肩兩側(cè)為兩種完全不同的顯微組織，軸肩為針狀/塊狀鐵素體+珠光體組織，軸肩根部軸身側(cè)為貝氏體+珠光體組織，見(jiàn)圖3d)和圖3e)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JIS G4051-1979的熱處理技術(shù)要求，軸的正常組織應(yīng)為鐵素體+珠光體組織。

圖3 風(fēng)機(jī)軸軸頸橫截面和軸肩縱截面的顯微組織Fig.3 Microstructure of axial cross section of journal and longitudinal section of shaft shoulder of ventilator shaft:a) cross section, outermost layer; b) cross section, inside weld; c) cross section, journal center; d) longitudinal section, shoulder position;e) longitudinal section, root of shaft shoulder

1.5 硬度試驗(yàn)

按照GB/T 4340.1-2009《金屬維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》，對(duì)軸肩縱截面進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4，左上角插圖為檢測(cè)位置示意圖。由圖4可知，在軸肩過(guò)渡位置處硬度出現(xiàn)異常變化，軸肩內(nèi)層的硬度變化更加明顯，靠近軸身側(cè)硬度明顯偏高(300 HV)，較軸肩變徑處的硬度高約80 HV，這超過(guò)JIS G4051-1979標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值(240 HV)，為典型的硬化區(qū)。

圖4 風(fēng)機(jī)軸軸肩維氏硬度測(cè)量結(jié)果Fig.4 Vickers hardness measurement results of shaftshoulder of ventilator shaft

1.6 斷口分析

對(duì)圖2a)所示的軸頸側(cè)斷口進(jìn)行丙酮超聲清洗后，進(jìn)行掃描電鏡進(jìn)行觀察。由圖5a)～c)可見(jiàn)，斷口整體較為齊平，斷口邊緣軸肩位置可見(jiàn)因堆焊后車削加工造成的孔洞缺陷，軸肩可見(jiàn)沿根部分布的細(xì)小裂紋，斷口邊緣可見(jiàn)沿堆焊焊趾向心部擴(kuò)展的裂紋臺(tái)階。由圖5d)可見(jiàn)，斷口邊緣位置有許多棘>輪狀臺(tái)階，棘輪臺(tái)階附近可見(jiàn)大量輪胎狀壓痕，壓痕呈短程、有序分布，這種輪胎壓痕表明風(fēng)機(jī)軸發(fā)生了低循環(huán)(高應(yīng)力)疲勞開(kāi)裂[8]。由圖5e)可見(jiàn)，斷口擴(kuò)展區(qū)表面的大量珠光體層片間呈解理形貌，并可見(jiàn)解理臺(tái)階。由圖5f)可見(jiàn)，斷口最后瞬斷區(qū)呈典型的韌窩形貌特征。

圖5 風(fēng)機(jī)軸軸頸側(cè)斷口的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of fracture on journal side of ventilator shaft:a) hole defect in shaft shoulder; b) crack in shaft shoulder; c) crack along weld toe; d) tire tracks near ratchet steps;e) crack propagation region; f) final fracture zone

2 分析與討論

斷裂風(fēng)機(jī)軸的化學(xué)成分符合JIS G 4051-1979的技術(shù)要求。通過(guò)宏觀觀察可見(jiàn)，軸頸和軸肩外表面存在堆焊后車削加工造成的孔洞缺陷，斷口表面無(wú)宏觀塑性變形，斷口齊平，邊緣存在大量的棘輪臺(tái)階，這些棘輪臺(tái)階即為斷裂的起始點(diǎn)。由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，風(fēng)機(jī)軸的屈服強(qiáng)度低于JIS G 4051-1979對(duì)S45C鋼(正火態(tài))技術(shù)要求的下限值。通過(guò)顯微組織觀察可見(jiàn)：軸頸橫截面由外而內(nèi)的組織分別為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體、魏氏組織鐵素體、馬氏體組織、鐵素體+珠光體組織，心部區(qū)域存在嚴(yán)重偏析；軸肩為針狀/塊狀鐵素體+珠光體組織，軸肩根部軸身側(cè)則為貝氏體+珠光體組織。維氏硬度檢測(cè)結(jié)果表明，兩側(cè)區(qū)域測(cè)得的硬度存在明顯差異。通過(guò)軸頸斷口分析可見(jiàn)：風(fēng)機(jī)軸斷口邊緣處存在多處棘輪臺(tái)階，臺(tái)階附近可見(jiàn)大量輪胎壓痕，呈現(xiàn)多源的低循環(huán)(高應(yīng)力)疲勞斷裂特征；斷口邊緣可見(jiàn)沿堆焊層焊趾向軸心擴(kuò)展的裂紋。

綜上分析，在運(yùn)行工況下，風(fēng)機(jī)軸承受在皮帶輪預(yù)緊力作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力的共同作用，為典型的交變載荷。風(fēng)機(jī)軸經(jīng)堆焊及加工維修后，局部焊道焊趾、孔洞缺陷和鍵槽位置成為嚴(yán)重應(yīng)力集中部位。同時(shí)，堆焊后軸肩兩側(cè)的顯微組織和硬度差異較大，容易在倒角處形成應(yīng)力集中，影響軸肩位置的抗疲勞性能。風(fēng)機(jī)軸軸頸最外層組織為針網(wǎng)狀鐵素體+珠光體組織，心部組織嚴(yán)重偏析，進(jìn)一步減弱了軸頸的抗疲勞性能，最終在交變載荷作用下，風(fēng)機(jī)軸在以上薄弱位置產(chǎn)生疲勞裂紋源，并快速擴(kuò)展直至發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論與建議

(1) 風(fēng)機(jī)軸軸頸堆焊及加工維修引起的軸肩位置的顯微組織和力學(xué)性能異常，在交變載荷作用下，軸肩位置焊道焊趾、孔洞缺陷和鍵槽等高應(yīng)力集中部位產(chǎn)生疲勞裂紋源，快速擴(kuò)展最終發(fā)生斷裂。

(2) 基于風(fēng)機(jī)軸的斷裂失效原因，針對(duì)軸類零件表面堆焊修復(fù)提出以下幾點(diǎn)建議：提高焊接質(zhì)量，避免軸表面和軸肩位置出現(xiàn)孔洞缺陷；軸肩應(yīng)采用圓角進(jìn)行平緩過(guò)渡，避免應(yīng)力集中；皮帶預(yù)緊力應(yīng)合理設(shè)置，避免產(chǎn)生過(guò)大彎曲應(yīng)力。