離心機主軸斷裂分析

離心機主軸斷裂分析李燕，郇艷，張紅麗，高濤（青島理工大學琴島學院，山東青島266106；）摘要：采用宏觀及顯微組織分析、化學成分、力學性能及斷裂力學分析等方法對離心機主軸的斷裂進行了失效分析，結果表明，該軸的斷裂屬疲勞破壞失效，返修時對軸頸表面堆焊產生的冷裂紋是導致疲勞斷裂的主要原因。并提出改進措施。關鍵詞：軸;疲勞失效;冷裂紋；斷裂力學；FractureanalysisofcentrifugespindleLiYan，HuanYan，ZhangHongLi,GaoTao（QindaoCollegeofQingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266106,China；）Abstract：Throughthemethodofmacroandmicrostructureanalysis,chemicalcomposition,mechanicalpropertiesandfracturemechanicsanalysistoanalyzethefractureofcentrifugespindle,theresultsshowthatthespindlefailurebelongstofatiguefailure.themainreasonoffatiguefractureiscoldcrackscausedbybeadweldingonthespindleneckwhenrepairing.Andputforwardimprovementmeasures.Keywords：centrifugespindle；fatiguefailure；coldcracks；fracturemechanics；0引言在更換主軸軸承之后，離心機主軸（圖1）使用半年后會發(fā)生斷裂，引起整機停產。在更換軸承的過程中需要對軸承軸頸進行堆焊、機械加工之后才能進行裝配。堆焊工藝為先用氣焊槍預熱至150℃后，采用直徑為1.0至1.2毫米焊絲09Mn2Si進行CO2氣體保護焊，堆焊層厚度為5至7毫米，焊后進行去氫處理和滲透探傷。離心機主軸材料為35CrMo鋼，主軸斷裂處直徑Φ280mm，平均傳遞扭矩2626N·m。下面對斷裂原因進行分析。圖一離心機主軸Fig.1centrifugespindle圖二斷口圖三堆焊層裂紋及氣孔Fig.2ObservationoffatiguesurfaceFig.3cracksandpores檢驗及分析1.1斷口分析主軸斷口宏觀形貌如圖二所示，斷裂面垂直于軸線，為典型疲勞破壞失效[1]。斷口明顯分為3個區(qū)域：疲勞裂紋起源區(qū)，疲勞裂紋擴展區(qū)，瞬斷區(qū)。裂紋起源區(qū)表面有明顯的銹蝕痕跡，用線切割方式從斷軸裂紋源附近截取試樣，經4%硝酸酒精溶液侵蝕，通過DM6000M金相顯微鏡進行微觀形貌檢驗，通過低倍檢查（見圖三），發(fā)現在疲勞裂紋起源區(qū)的堆焊層存在多處裂紋及氣孔，而且局部有明顯的穿晶形態(tài)（見圖四），可以斷定疲勞破壞是從這些裂紋開始的。堆焊層金相組織為細晶粒組織，為貝氏體和馬氏體(見圖五)，硬度和脆性更大，冷裂紋傾向較為嚴重。這也為裂紋的產生的原因之一。裂紋擴展區(qū)是典型的解理性斷口，呈明顯的纖維狀結構。瞬斷區(qū)呈典型的脆性斷裂形態(tài)。圖四堆焊層裂紋(250X)圖五堆焊層(1000X)Fig.4weldoverlaycracking(250times)Fig.5weldoverlay(1000times)1.2化學成分和力學性能斷軸材料為35CrMo鋼850-550℃調質后使用，通過FMP型牛津全譜落地式直讀光譜儀與JZL-D型拉伸試驗機對其化學成分和力學性能進行分析，化學成分分析結果(質量分數)見表1，拉伸性能試驗結果見表2.表1斷軸的化學成分Table1Resultofspectrumanalysisofthefracturespindle主要元素CCrMO標準值[2]0.32-0.400.8-1.100.15-0.25斷軸0.394%0.883%0.191%表2力學性能測試結果Table2Resultofmechanicalpropertiestestofthefracturespindle主要力學性能指標σsσbδΨHB標準值[3]≥835MPa≥980MPa≥12%≥45%≤229HB斷軸85210001348220表明軸的失效與材料無關。1.3斷裂分析1.3.1斷裂靜力學分析起始狀態(tài)分析：根據斷口分析裂紋源發(fā)生在表面堆焊熱影響區(qū)的脆化組織區(qū)，裂紋性質模擬為半橢圓盤狀表面裂紋，其深度用表示，根據金相分析取其厚度層為起始裂紋尺寸，按離心機主軸斷裂處平均應力，用分析法得到缺陷部位最大應力。用Irwin公式結合手冊得到，該部位應力強度因子最大值為。根據材料性能和部分材料如：35CrMo、45、30CrMnSiA、40Cr等，材料的斷裂韌性[4]。故按斷裂靜力學判據，該軸不應該發(fā)生斷裂。1.3.2疲勞分析如果令，按應力強度因子公式，可以計算得到裂紋的臨界尺寸。根據Paris公式的實驗研究，得到實用調質鋼的Paris公式：式中E：材料的彈性模量；：應力強度因子門檻值；：材料斷裂韌性；：應力強度因子幅；R：疲勞載荷引起的應力比值。通過對上式的數值積分得到斷裂時所受的疲勞循環(huán)次數N，按不同材質的材料常數取值N=51840～73000。如果按離心機工作時候，每小時工作循環(huán)為11次，可以認為斷裂時間為工作半年至一年。所以疲勞分析結果與實際有很好的吻合。1.3.3斷裂動力學分析：離心機在運行中，主軸要經受動載荷的沖擊，特別是在料過程中，使主軸應力瞬時發(fā)生較大增值，根據斷裂動力學的研究，動態(tài)應力強度因子，此時的斷裂判據為。動態(tài)斷裂韌性為的函數，當取最大值時，動態(tài)斷裂韌性與靜態(tài)斷裂韌性相等。根據動態(tài)應力強度因子手冊和采用MTS實驗機對帶表面裂紋缺口的試樣進行的測試實驗，在試樣寬度和厚度均為裂紋深度的2倍以上時，可以驗證。這樣就有可能出現的情況，造成低應力斷裂。從以上分析，主軸的斷裂原因為沖擊載荷和疲勞的共同作用。2.結論與措施根據以上分析，主要從兩個方面進行改進。2.1該機表面堆焊材料和焊接工藝加大預熱的范圍和焊接部位的溫度，第一層預熱溫度提高到350℃，并控制層面溫度為250℃，焊后后熱350℃2小時緩冷。第一層采用ER50-G，直徑1.6mm焊絲，高純氬氣保護,或者采用ER50-6，直徑1.2mm藥芯焊絲，混合氣體保護（80%Ar+20%CO2）。這樣可以大大減少過熱區(qū)惡化半熔化區(qū)過硬組織和降低冷裂紋的產生傾向，提高了焊縫的抗裂性能。2.2改進進料程序改進進料程序以降低，使提高。通過以上措施，有效防止了裂源的產生，按以上措施返修的主軸，沒有發(fā)現斷裂現象的產生。參考文獻[1]屠海令，干勇.金屬材料理化測試全書[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007:74～75[2]曾正明.實用鋼鐵材料手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007:171[3]方昆凡.工程材料手冊黑色金屬材料卷［M］.北京:北京出版社，2002:200[4]范天佑.斷裂理論基礎.北京：科學出版社,2003:102FractureanalysisofcentrifugespindleLiYan，HuanYan，ZhangHongLi,GaoTao（QindaoCollegeofQingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266106,China；）Abstract：Throughthemethodofmacroandmicrostructureanalysis,chemicalcomposition,mechanicalpropertiesandfracturemechanicsanalysistoanalyzethefractureofcentrifugespindle,theresultsshowthatthespindlefailurebelongstofatiguefailure.themainreasonoffatiguefractureiscoldcrackscausedbybeadweldingonthespindleneckwhenrepairing.Andputforwardimprovementmeasures.Keywords：centrifugespindle；fatiguefailure；coldcracks