摘 要:某材料為42CrMo的石料圓錐破碎機(jī)主軸在使用半年后發(fā)生早期斷裂,采用宏觀分析、 化學(xué)成分分析、非金屬夾雜物評定、低倍試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、平均晶粒度評定、金相 檢驗(yàn)、微觀分析和能譜分析等方法對斷裂軸進(jìn)行失效分析。結(jié)果表明:在破碎機(jī)運(yùn)行過程中,主軸和 錐體芯之間發(fā)生磨損,主軸外圓周表面產(chǎn)生微裂紋,最終主軸在循環(huán)載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂。

關(guān)鍵詞:破碎機(jī);磨損;疲勞;失效分析

中圖分類號:TG115.5;TH117.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)02-0070-06

某石料圓錐破碎機(jī)的主軸在使用半年后發(fā)生早 期斷裂 (見 圖 1)。該 斷 裂 主 軸 的 材 料 為 42CrMo 鋼,硬度為220~250HB,淬火溫度為840 ℃,淬水 過油,回火溫度為660 ℃。斷裂發(fā)生在主軸的最大 直徑處;主軸和錐體芯(材料為 ZG270-500鑄鋼)是 相互固定不動的;斷裂發(fā)生在主軸和錐體芯相互嵌 套的內(nèi)部區(qū)域。從破碎機(jī)的工作原理可以看出,主 軸和錐體芯會在工作過程中產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力。 為了查明主軸斷裂的原因,筆者對主軸進(jìn)行了一系 列的理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

斷裂主 軸 整 體 未 發(fā) 現(xiàn) 明 顯 的 塑 性 變 形 (見 圖2),斷口可分為3個(gè)區(qū)域:裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和 最終斷裂區(qū)。斷口上有明顯貝殼狀條紋,具有典型 疲勞斷口特征。在斷口表面發(fā)現(xiàn)有4處疲勞裂紋源 (簡稱疲勞源),從源區(qū)所占的面積及貝殼狀條紋的 分布形態(tài)來看,其中一個(gè)為主裂紋源,其他3個(gè)為次 疲勞源。在主裂紋源區(qū)發(fā)現(xiàn)較深且較粗的疲勞臺 階,說明主裂紋源為線性裂紋源。從裂紋源、貝殼狀條紋分布形態(tài)及瞬斷區(qū)面積較小的特征來看,該斷 口為低應(yīng)力單向彎曲疲勞斷口。

在斷口附近的外圓表面上發(fā)現(xiàn)大量的小麻坑和 變形,在部分外圓表面上發(fā)現(xiàn)周向裂紋,該外圓表面 符合微動磨損的表面特征;在主裂紋源處斷口下方 的外圓表面上,發(fā)現(xiàn)疑似異金屬黏附,這可能是黏著 磨損造成的(見圖3)。

1.2 化學(xué)成分分析

在主軸 的 1/3 半 徑 處 取 樣,依 據(jù) 標(biāo) 準(zhǔn) GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測 定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》,使用型號 為 MAXxLMM14的光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié) 果如表1所示。由表1可知,斷軸的化學(xué)成分符合 GB/T3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對 42CrMo特級 優(yōu)質(zhì)鋼的化學(xué)成分技術(shù)要求。

1.3 非金屬夾雜物評定

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T10561—2005 《鋼中非金屬夾 雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》,分別在 主軸1/3半徑處和近表面取樣,采用 DMI3000M 型 金相顯微鏡分析測試,結(jié)果如表2和圖4所示。由 表2可知,在試樣中僅發(fā)現(xiàn)輕微的 D 類細(xì)系夾雜 物,符合 GB/T3077—2015標(biāo)準(zhǔn)對特級優(yōu)質(zhì)鋼的非 金屬夾雜物技術(shù)要求,材料純凈度較高。

1.4 低倍組織檢驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T226—2015 《鋼的低倍組織及 缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》,對主軸橫截面進(jìn)行低倍檢驗(yàn),然 后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T1979—2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺 陷評級圖》進(jìn)行評定,結(jié)果如表3和圖5所示。低倍 組織測試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn) GB/T3077—2015對特級 優(yōu)質(zhì)鋼的低倍組織的技術(shù)要求。

1.5 拉伸試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5000.8—2007 《重型機(jī)械通用 技術(shù)條件 鍛件》,在主軸1/3半徑處縱向取樣,依據(jù) 標(biāo)準(zhǔn) GB/T228.1—2010 《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1 部分:室溫試驗(yàn)方法》使用 CMT5305型電子萬能材 料 試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表4所示。拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T6988—2015 《彈簧圓錐破碎 機(jī)》對主軸力學(xué)性能的技術(shù)要求。

1.6 沖擊試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5000.8—2007 《重型機(jī)械通用 技術(shù)條件 鍛件》,在主軸1/3半徑處縱向取樣,依據(jù) GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方 法》,使用 ZBC2452-3型金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行 沖擊試驗(yàn),試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。 沖擊試驗(yàn)結(jié)果不符合JB/T6988—2015 《彈簧圓錐 破碎機(jī)》對主軸力學(xué)性能的技術(shù)要求。

1.7 硬度試驗(yàn)

參考JB/T5000.8—2007標(biāo)準(zhǔn),在主軸1/3半 徑處取樣,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》使用數(shù)顯布氏 硬度計(jì)(型號為320HBS-3000)進(jìn)行硬度試驗(yàn),結(jié)果 符合客戶提供的硬度技術(shù)要求。

1.8 平均晶粒度評定

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T6394—2017《金屬平均晶粒度 測定方法》,分別在主軸1/3半徑和近表面處取樣, 采用金相顯微鏡(型號為 DMI3000M)進(jìn)行分析檢 測,平均奧氏體晶粒度均為8.0級(見圖6)。結(jié)果符 合標(biāo)準(zhǔn) GB/T3077—2015對特級優(yōu)質(zhì)鋼的平均晶 粒度技術(shù)要求。

1.9 金相試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T13298—2015 《金相顯微組織 檢驗(yàn)方法》,采用金相顯微鏡(型號為 DMI3000M) 觀察分析。觀察斷口附近外圓表面拋光后的微觀形 貌,發(fā)現(xiàn)很多周向裂紋和大小不一、形態(tài)各異的凹坑 (見圖7)。

在主疲勞源處縱向取樣,在外圓表面發(fā)現(xiàn)徑向 微裂紋和凹坑,這些裂紋由外表面向內(nèi)部擴(kuò)展[見圖 8a)];腐蝕后,在部分外圓表面、凹坑和裂紋附近表 面發(fā)現(xiàn)纖維狀組織,是表面發(fā)生塑性變形造成的[見 圖8b)]。

在圖3中疑似異金屬黏附處縱向取樣,截面上 部發(fā)現(xiàn)有一層不同于基體顯微組織的“白層”,該白 層靠近基體處為白亮色,往外則為纖維狀變形組織 在該白亮層和其附近基體處進(jìn)行顯微硬 度試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)白亮層的硬度要明顯高于基體的硬度, 白亮層的顯微硬度為550 HV,纖維狀組織區(qū)域的 顯微硬度為430 HV,基體的顯微硬度為248HV, 說明該白亮層的顯微組織為二次淬火馬氏體,往外的纖維狀組織為經(jīng)持續(xù)磨損后的再回火組織。

在主軸1/3半徑處取樣進(jìn)行顯微組織觀察,該 位置的顯微組織為貝氏體+珠光體+少量鐵素體+ 少量回火索氏體(見圖10)。

1.10 掃描電鏡形貌分析和能譜分析

在斷口的主疲勞源區(qū)、主裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終斷 裂區(qū)取樣,將試樣在無水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗,然 后使用掃描電子顯微鏡(型號為S-3400N)進(jìn)行微觀 斷口分析。在主疲勞源區(qū)可以觀察到從疲勞源區(qū)表 面向內(nèi)部延伸的應(yīng)力臺階,在主裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀 察到疲勞裂紋,在最終斷裂區(qū)可以觀察到同時(shí)具有 河流花樣、舌狀花樣的解理斷口形態(tài)特征和韌窩、撕 裂棱等韌性斷口形態(tài)特征的準(zhǔn)解理斷口形貌特征 (見圖11)。

對外圓表面的嵌入物和磨損處進(jìn)行能譜(EDS) 分析,發(fā)現(xiàn)鈣、鎂、硅等不同于金屬基體化學(xué)成分的 元素(見表5和圖12)。對疑似異金屬黏附處進(jìn)行 EDS分析,發(fā)現(xiàn)白亮層不含鉻元素,與基體材料明 顯不一致(見圖13)。

2 綜合分析

經(jīng)過分析,斷裂主軸的化學(xué)成分、非金屬夾雜物 和橫截面低倍組織均符合標(biāo)準(zhǔn) GB/T3077—2015 中42CrMo特級優(yōu)質(zhì)鋼的相關(guān)技術(shù)要求,說明原材 料無冶金缺陷。

試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合JB/T6988—2015中 對主軸拉伸的技術(shù)要求,硬度結(jié)果符合客戶提供的 規(guī)范要求,但沖擊結(jié)果低于標(biāo)準(zhǔn)JB/T6988—2015 中對主軸沖擊性能的技術(shù)要求?？赡芘c該位置未淬 透,顯微組織為貝氏體+珠光體+少量鐵素體有關(guān)。 外圓表面和主軸1/3半徑處的晶粒度均符合 GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)中對42CrMo特級優(yōu)質(zhì)鋼的技術(shù) 要求,說明熱處理過程中未出現(xiàn)過熱等異常狀況。

從宏觀斷口分析可知,該斷口為低負(fù)荷單向彎 曲疲勞斷口,疲勞源位于斷軸外圓表面,然后向另一 側(cè)擴(kuò)展直至失穩(wěn)斷裂。在斷口上發(fā)現(xiàn)多個(gè)疲勞源, 其中一個(gè)為主疲勞源,其他為次疲勞源。在破碎機(jī) 運(yùn)行過程中,主疲勞源引起裂紋持續(xù)擴(kuò)展直至斷裂。

對外圓周面進(jìn)行宏觀觀察,發(fā)現(xiàn)大量的小麻坑, 以及在部分外圓表面上發(fā)現(xiàn)了周向裂紋;金相檢驗(yàn) 時(shí)發(fā)現(xiàn)了大量的周向微裂紋和凹坑,以及由于塑性 變形而產(chǎn)生的纖維狀組織[1-2]。

在斷口主疲勞源處下方的外圓表面上,宏觀觀察可見疑似異金屬黏附,從能譜分析結(jié)果來看,外圓 表面嵌入物中不含鉻元素,與基體材料42CrMo鋼 明顯不一致,可能為錐體芯中的金屬黏附在主軸上, 符合黏著磨損特征[1] ;該區(qū)域的顯微組織表現(xiàn)為淬 火馬氏體和變形纖維狀組織,為受到摩擦磨損時(shí)形 成的[3]。

能譜分析顯示,外圓表面凹坑內(nèi)的嵌入物中含 有鈣、鎂、硅等金屬基體不含的化學(xué)元素,這些元素 主要來自于石料破碎環(huán)境中的粉塵或灰塵[4],這些 灰塵進(jìn)入到軸和錐體芯,隨著磨損進(jìn)行會形成化合 物硬顆粒,從而導(dǎo)致軸和錐體芯間產(chǎn)生磨料磨損[1]。

主軸和錐體芯兩者之間在宏觀上表現(xiàn)為靜止不 動,但當(dāng)裝置長期持續(xù)運(yùn)行時(shí),主軸會受到非常復(fù)雜 的交變應(yīng)力作用,如果主軸和錐體芯之間產(chǎn)生微小 振動或滑動,就會在主軸和錐體芯配合處出現(xiàn)微動 磨損和配合面松動。主軸和錐體芯之間載荷較大且 有微動時(shí),就容易發(fā)生黏著磨損。石料破碎機(jī)的工 作壞境充斥著粉塵和灰塵,這些物質(zhì)在主軸和錐體 芯產(chǎn)生相對運(yùn)動時(shí),會進(jìn)入其間,從而產(chǎn)生磨粒磨損。這些磨 損 均 可 能 使 主 軸 外 圓 表 面 產(chǎn) 生 微 裂 紋[4]。

3 結(jié)語

主軸斷裂原因是主軸和錐體芯之間在破碎機(jī)運(yùn) 行過程中產(chǎn)生磨損,于主軸外圓周表面磨損處產(chǎn)生 了微裂紋,從而形成了疲勞源,在循環(huán)載荷作用下發(fā) 生裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致疲勞斷裂。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 58卷 > 2期 (pp:70-75)>