轴的失效形式和原因分析 .pdfVIP

轴的失效形式与特征

轴是各种机械中最为普通而不可缺少的重要零件，根据使用条

件的差异，轴有很大不同的类型，按其功能和所受载荷的不同，一

般可分为心轴、转轴和传动轴三类。心轴主要承受弯矩而不承受扭

矩，它只能旋转零件起支撑作用，并不传递动力。传动轴主要承受

扭矩，其基本功能只传输动力，而转轴既承受弯矩又承受扭矩，

它兼有支撑与传输动力的双倍功能。

由于各类轴自身的材质、结构和承载条件不同、运行环境和使

用操作的差异可能发生各种不同类型的失效时有发生，失效的形式

和特征也各异。

一.疲劳断裂

疲劳断裂是指轴在交变应力的作用下，经过多次反复后发生的

突

然断裂。是轴类零件在其服役过程中主要的失效形式。

轴在疲劳断裂前没有明显的塑性变形，反映在宏观形态上属于

脆

性断裂。断口形貌有其本身的特征，在宏观形貌上可分为三个区域：

图1疲劳断裂示意图

1）疲劳源区：通常是指断口上的放射源的中心点，源区表面细

密光滑，多发生于轴的表面。由于表面常存在缺口、刀痕、沟槽等缺

陷，导致应力集中，从而诱发疲劳裂纹。

疲劳断口上可能只有一个疲劳裂纹源，也可能出现几个裂源。

疲劳源区有时存在疲劳台阶，这是由于不同高度的多源疲劳裂纹

在其扩展过程中连接形成的。

2）疲劳扩展区：是断口上最重要的特征区域，海滩花样（贝壳

花样、疲劳弧线、疲劳条带）的存在是鉴别疲劳断裂的宏观依据。有

时必须借住高倍的电子显微镜才能观察到疲劳条带。根据弧线数量和

间距可以略微地判断零件所承受交变应力幅值，弧线规律分布表示交

变载荷是平稳的。

承受应力状态、工作环境以及材料性质的不同，疲劳裂纹扩展

的形貌所异。

每条疲劳条带表示载荷的一次循环，条带间距离与外加载荷的应

力幅值有关。当交变载荷变化不大、零件内的残余应力很小时，往往

不出现弧线或不明显，所以不是所以疲劳断口有存在疲劳条带，低

周疲劳断口有时可呈现韧窝状，有时也可出现轮胎花样（图

2），所以疲劳条带并不是疲劳断裂的唯一显微特征。高频疲劳断

口或腐蚀疲劳断口上的疲劳条带比较模糊，较难判断。

图3为外加载荷较小，但轴周应力较集中，所以扩展前区条

带不明显，随截面的减小载荷逐渐增大，疲劳条带较明显，瞬时断裂

区较小。图4外加载荷较大，呈低周疲劳断裂形貌，由于材料强度

较高、

塑性较差，宏观疲劳条带不明显，瞬时断裂区较大

图2轮胎花样图3

图4

3）瞬时断裂区：疲劳裂纹扩展到最后阶段的快速断裂区，此区

域灰暗，粗糙，呈撕裂状或粗晶粒状，或在45°角上呈延生剪断

（剪切唇）。

轴类的疲劳断裂仅就承载性质而言，可分为：单向弯曲疲劳断

口、双向弯曲疲劳断裂、旋转弯曲疲劳断裂、扭转疲劳断裂、接触疲

劳断裂和复合应力疲劳断裂等。

二.单向弯曲疲劳断裂轴在弯曲载荷的作用下，其表面应力最

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大，中心应力最小，一侧受拉，另一侧受压（图）。在长期的反

复的交替作用下，由于轴的表面经常存在缺口、刀痕、沟槽等缺

陷，导致应力集中，从而诱发疲劳

裂纹，成为疲劳源。随着交变应力的继续，疲劳裂纹沿着与正应力相

垂直的方向扩展，直至发生突然断裂。其断口与轴线成90°。

单向疲劳断口具有比较典型的疲劳断裂特征，可明显地观察到裂

源区、扩展区和粗糙的瞬时断裂区（图6）

图5图6

对于有台架转角的轴，其断口往往不是一个平面，而是呈碟状

曲面，这是由于圆角根部应力集中的结果（图7）。

从断口上可以看出弯曲载荷的大小，如图8所示。a为低载

荷，b