离心机主轴断裂分析..doc

离心机主轴断裂分析 李燕，郇艳，张红丽，高涛 （青岛理工大学琴岛学院，山东　青岛　266106；） 摘要：采用宏观及显微组织分析、化学成分、力学性能及断裂力学分析等方法对离心机主轴的断裂进行了失效分析，结果表明，该轴的断裂属疲劳破坏失效，返修时对轴颈表面堆焊产生的冷裂纹是导致疲劳断裂的主要原因。并提出改进措施。 关键词：轴; 疲劳失效;冷裂纹；断裂力学； Fracture analysis of centrifuge spindle Li Yan，， （Qindao College of Qingdao University of Technology, Qingdao 266106, China；） Abstract：method of macro and microstructure analysis, chemical composition, mechanical properties and fracture mechanics analysis to analyze the fracture of centrifuge spindle, the results show that the spindle failure belongs to fatigue failure. the main reason of fatigue fracture is cold cracks caused by bead welding on the spindle neck when repairing. And put forward improvement measures. Keywords：centrifuge spindle；fatigue failure；；fracture mechanics；Φ280mm，平均传递扭矩2626N·m。下面对断裂原因进行分析。 图一 离心机主轴 Fig. 1 centrifuge spindle 图二 断口 图三 堆焊层裂纹及气孔 Fig. 2 Observation of fatigue surface Fig. 3 cracks and pores 检验及分析 1.1断口分析 主轴断口宏观形貌如图二所示，断裂面垂直于轴线，为典型疲劳破坏失效[1]。断口明显分为3个区域：疲劳裂纹起源区，疲劳裂纹扩展区，瞬断区。裂纹起源区表面有明显的锈蚀痕迹，用线切割方式从断轴裂纹源附近截取试样，经4%硝酸酒精溶液侵蚀，通过DM6000M金相显微镜进行微观形貌检验，通过低倍检查（见图三），发现在疲劳裂纹起源区的堆焊层存在多处裂纹及气孔，而且局部有明显的穿晶形态（见图四），可以断定疲劳破坏是从这些裂纹开始的。堆焊层金相组织为细晶粒组织，为贝氏体和马氏体(见图五)，硬度和脆性更大，冷裂纹倾向较为严重。这也为裂纹的产生的原因之一。裂纹扩展区是典型的解理性断口，呈明显的纤维状结构。瞬断区呈典型的脆性断裂形态。 图四 堆焊层裂纹(250X) 图五 堆焊层(1000X) Fig. 4 weld overlay cracking (250 times) Fig. 5 weld overlay (1000 times) 1.2化学成分和力学性能 断轴材料为35CrMo钢850-550℃调质后使用，通过FMP型牛津全谱落地式直读光谱仪mechanical properties test of the fracture spindle 主要力学性能指标 σs σb δ Ψ HB 标准值[3] ≥835MPa ≥980MPa ≥12% ≥45% ≤ 229 HB 断轴 852 1000 13 48 220 表明轴的失效与材料无关。 1.3 断裂分析 1.3.1 断裂静力学分析 起始状态分析：根据断口分析裂纹源发生在表面堆焊热影响区的脆化组织区，裂纹性质模拟为半椭圆盘状表面裂纹，其深度用表示，根据金相分析取其厚度层为起始裂纹尺寸，按离心机主轴断裂处平均应力，用分析法得到缺陷部位最大应力。用Irwin公式结合手册得到，该部位应力强度因子最大值为。根据材料性能和部分材料如：35CrMo、45、30CrMnSiA、40Cr等，材料的断裂韧性[4]。故按断裂静力学判据，该轴不应该发生断裂。 1.3.2 疲劳分析 如果令，按应力强度因子公式，可以计算得到裂纹的临界尺寸。根据Paris公式的实验研究，得到实用调质钢的Paris公式： 式中E：材料的弹性模量；：应力强度因子门槛值；：材料断裂韧性；：应力强度