宏觀形貌 斷裂銷軸的原始直徑為 ２０ mm,長 ２６０ mm. 潤滑油油孔位于銷軸長度方向的中部,直徑３mm. 由圖１可知:銷軸均在其中部潤滑油油孔位置處斷裂;斷裂銷軸表面存在大量的車削加工刀痕,刀痕排 列均勻;斷裂面基本沿刀痕方向擴展.在斷裂銷軸 距離斷口５mm 位置處截取橫截面試樣,分別進行 化學成分、硬度、顯微組織測試分析.使用 Wilson４０２MVD型顯微硬度計測硬度,壓 頭為相對面夾角為１３６°的方錐形金剛石壓頭,載荷為 ２．９４N,測試點分別位于距離表面０．１mm 處、１/２半 徑處 和 中 心 處.測 得 該 銷 軸 截 面 硬 度 在 ２１０~ ２２５HV之間,根據 GB/T１１７２－１９９９換算后可知, 此硬度滿足產品的技術指標要求(１８０~２２０HBW). １．４ 顯微組織 將橫截面試樣預磨拋光,用４％(體積分數)硝 酸酒精溶液腐蝕后,使用 OlympusGX５１型光學顯 微鏡觀察 顯 微 組 織.由 圖 ２ 可 以 看 出:斷 裂 銷 軸 表層無脫碳現象,整體組織較均勻;表層與心部的 組織相同,均 為 沿 晶 界 呈 網 狀 分 布 的 淺 色 鐵 素 體＋層片狀的 深 色 珠 光 體,部 分 區 域 還 出 現 了 魏 氏 體組織.參照 GB/T１３３２０－２００７ 中 第 一 組 評 級 圖,判定該 斷 裂 銷 軸 的 顯 微 組 織 等 級 為 ４ 級.產 品技術條件要求該銷軸鋼需經淬火并高溫回火處 理(調質處 理),其 正 常 組 織 應 該 是 回 火 索 氏 體. 經咨詢銷軸 生 產 商,此 批 次 銷 軸 由 于 操 作 人 員 交 接失誤,未進行調質處理. １．５ 表面形貌 使用 BrukerNPFLEXＧLA 型非接觸式三維表 面光學形貌儀進行表面微觀形貌測試.由圖３可以 看出:加工刀痕相鄰峰、谷高度差zui大約為２０μm, 表面粗糙度為５．１８μm;表面還存在垂直于刀痕方 向的劃痕.該銷軸的表面加工質量較差.

在銷軸斷口附近的表面還觀察到明顯的磨損痕 跡,此 處 的 原 始 加 工 刀 痕 已 被 完 全 磨 平,如 圖 ４ 所示. １．６ 斷口形貌 使用 FEIQuantaＧ２００型掃描電鏡對斷裂銷軸 開裂斷口表面進行分析.由圖５可見:裂紋源位于 銷軸表面加工刀痕的根部,沿表面加工刀痕呈線狀 分布,呈多源疲勞斷裂特征;斷口分為裂紋源區、擴展區、瞬斷區等３個明顯的特征區[３];裂紋源區非常 平整,這是由于裂紋萌生初期斷裂面相互擠壓摩擦 而導致的;擴展區呈現較明顯的貝紋線形貌[４],微觀 上為疲勞輝紋,貝紋線大致呈以油孔為圓心的圓弧 狀,表明裂紋沿圓周的運動比跨越直線的運動更快, 通常尖銳的缺口會產生此種形貌[５];裂紋在向軸內 部擴展至中心油孔處時,銷軸剩余部分無法承受載 荷作用而導致瞬斷,瞬斷區表面較粗糙,微觀上顯示 韌窩形貌,屬于韌性斷裂. ２ 斷裂原因分析 ２．１ 疲勞裂紋的萌生 銷軸工作時其中部受到油缸施加的循環推力, 同時因兩端固定在設備機座上而承受彎曲載荷,中 部彎矩zui大,且正好是油孔所在位置,此處的有效橫 截面積zui小,因此中部表面的應力zui大.考慮到油 孔開口位置的應力集中,銷軸安裝時一般都規定應 使油孔避開zui大拉應力作用區,即將油孔開口保持 在受壓一側.在進行疲勞過程的有限元分析時,考 慮第一主應力而非等效應力更合理.根據銷軸受載 情況進行有限元分析,模擬結果見圖６(a),在zui大載 荷１０kN時,光滑銷軸受拉一側的第一主應力zui大約 為２００MPa.斷裂銷軸實測硬度平均值為２２０HV, 根據 GB/T１１７２－１９９９ 換 算 得 到 其 抗 拉 強 度 約７５０MPa.金屬材料的疲勞強度大致為其抗拉強度 的０．４~０．５倍[６],因此該銷軸的疲勞強度為３００~ ３７５MPa,高于實際承受的應力,銷軸應該不會發生 疲勞斷裂.但銷軸表面存在明顯的車削加工刀痕, 較差的表面加工質量對疲勞裂紋形成有重要影響, 因而對疲勞強度也會產生很大影響[４].根據三維形 貌儀實測的表面形貌(圖３)對銷軸表面進行精細建 模,由于加工刀痕的尺寸屬于微米級,與銷軸的尺寸 相差理想,為了避免網格劃分的困難以及計算的誤 圖６ 在zui大工作載荷下銷軸受力的有限元模擬結果 Fig敭６ Finite element simulation results of pin stress under maximum workingload a generalview and b at turningtoolmarks 差,必須采用子模型有限元分析技術,即提取圖３所 示的加工刀痕幾何模型,再加載從全局模型獲得的 位移結果作為邊界條件,從而得到刀痕處的第一主 應力云圖,結果見 圖６(b).由 圖６(b)可以看出,刀 痕根部應力約為４００ MPa,其應力集中系數達到２. 零部件表面的缺口會引起應力集中,且疲勞對缺口 的敏感度隨著材料強度的增加而增大[７].現代工程 機械主要基于理論和經驗計算值以及實際產品測試 結果等進行產品設計,這些設計一般都以理想材料 為前提,對于存在制造缺陷(如加工刀痕)的應力狀 態考慮較少,而往往正是這些制造缺陷帶來了破壞 性的結果[８].綜上可見:表面光滑銷軸所承受的應 力遠小于其疲勞強度,設計要求能夠滿足使用要求, 銷軸不會發生疲勞斷裂;但是,由于此批次銷軸的表 面加工質量較差,在刀痕根部處易產生應力集中,導 致疲勞裂紋萌生,疲勞性能下降.

此外,由圖４所觀察到的表面磨損形貌是機械 設備在工作過程中承受巨大的摩擦擠壓而造成的, 同時銷軸還承受著包括機械振動等帶來的微動磨 損,這些均會導致其疲勞性能的顯著降低.目前粗 糙度(加工刀痕)對材料疲勞性能影響的研究較多, 但有關微動磨損的影響研究相對較少[４]. ２．２ 疲勞裂紋的擴展 裂紋萌生后,其擴展速率和擴展方向與內部組 織密切相關.斷裂銷軸顯微組織為網狀分布的鐵素 體＋層片狀珠光體,因其未進行調質處理,組織粗 大.粗大的 顯 微 組 織 對 抗 疲 勞 裂 紋 擴 展 能 力 不 利[９],當組織粗化時,晶界密度減小,裂紋擴展到晶 界時 遇 到 的 阻 礙 降 低,裂 紋 擴 展 速 率 增 大. 研 究[１０Ｇ１１]表明,具有粗大網狀鐵素體＋珠光體組織或 貝氏體組織的非調質鋼的疲勞性能較差,低于同等 強度水平的高溫回火馬氏體鋼的,疲勞裂紋優先沿 著鐵素體/珠光體邊界擴展,其擴展速率受鐵素體相 硬度和強度的影響.