轴的失效形式和原因分析

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（TEM ） 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，其表面应力最大，中心应力最小，一侧受拉，另一侧受压（图5）。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 为高载荷形态，其瞬时断裂区的大小明显不同。

图7

图8 不同载荷下单向

弯曲疲劳断口示意图

另外轴表面无应力集中时，瞬时断裂区载荷较小时，瞬时断裂区较小。而有应力集中，如有台阶、缺口、粗糙的加工刀痕等，瞬时断裂区较大。

三.双向弯曲疲劳断裂

固定心轴承受上下正负两个方向交变弯曲载荷，轴的上小对应都受拉、压两面变化的应力，由此导致的断裂称之为轴双向弯曲疲劳断裂。

双向弯曲疲劳断裂的特征：与单向弯曲疲劳断裂的区别之一是双向弯曲疲劳断面有两个裂源，分别处于在相对的两侧。

如果两个方向上的弯矩幅值相等，则在相对的两个靠近表面的区域内产生疲劳源，并同时向内扩展。两个裂纹扩展深度大致相等（图9a）。

当轴承受到弯矩幅值较低时，两个疲劳源往往不会同时产生。因此两条裂纹的扩展深度将会相差很大（图9b）。

轴上有无应力集中以及应力集中程度的大小，对疲劳断口的形貌影响很大，如图10所示不同载荷水平与应力集中程度下的疲劳断口形貌。

图9

四.旋转弯曲疲劳断裂

1）裂源的形成

轴承受旋转弯曲时，轴上各点均受到拉伸应力和压缩应力的连续交替作用，裂纹可能起源于表面任何一点。

承受载荷不大时，疲劳源往往只在一处生核，并向内部和两侧扩展，而弯曲载荷逆轴的旋转方向移动，此时疲劳裂纹的前沿顺着载荷

的移动方向扩展速率较快，逆载荷移动方向扩展速率较慢，从而导致

裂纹前沿的偏移，使瞬时断裂区往往是向轴旋转的相反方向偏移一个角度，通常偏移角可达15°或更大。

图11 旋转弯曲疲劳断口瞬时 断裂区偏转示意图

2）宏观断口特征：

（1）疲劳裂纹垂直轴向心部扩展，断口上出现疲劳条带；

（2）瞬时断裂区逆轴旋转方向偏转一定角度。

轴上应力大小、应力集中程度不同断口出现不同特点：

a.交变载荷较低，无应力集中的光滑轴往往只产生一个疲劳源，瞬时断裂区在外周。

b.轴有台阶或缺口等应力集中，而且弯曲矩幅值大，则会产生多次疲劳源，且同时扩展，最后形成圆弧疲劳弧线和瞬时断裂区，如图12所示。

图12 多个疲源的旋转断口

承受应力水平高，应力集中又严重时，瞬时断裂区位于中心，则断裂前的交变载荷循环次数一般不会超过万次，其应力水平约为疲劳极限的1.5~2倍。

所以轴上的应力大小、应力集中程度不同，其旋转弯曲疲劳断口也呈现不同的特点（图13）。

图13 应力水平及应力

集中程度对旋转弯曲疲

劳断口形态的影响示意

图

五.轴的扭转疲劳断裂

轴在机械中承担传递扭矩，承受扭转载荷的作用，轴的表面所受到的应力最大，而心部为零，如图14所示。

图14 轴扭转剪应力分布图

1.扭转疲劳断裂的产生与类型

轴在承受扭转力时，其力矩在轴的横截面与纵截面上引起剪应力，45°斜截面上产生拉应力和压应力。在交变应力作用下，疲劳源优先在轴的表面的薄弱点萌生，其扩展有两种可能：

1）沿最大拉应力相垂直的方向扩展，称为正断型，一般出现在脆性材料上；

2）沿最大剪应力作用面扩展断裂的称为切断型，一般出现在塑性较好的材料上。

图15 轴上任一点的应力状态

对于承受交变扭转载荷的轴，其纵向应力集中是同样重要的，而纵向应力集中更具有危险性，因为材料中非金属夹杂物总是平行于轴线方向，成为先天性的微裂纹，成为疲劳源。所以扭转疲劳裂纹常在纵向夹杂物、表面划痕或键槽尖角等处发生。

2.扭转疲劳断裂的特征

1）切断型扭转疲劳断裂：断口垂直轴线的平断口或台阶型

2）正断型扭转疲劳断裂：断口多呈斜面状、棘轮状或锯齿状和星状。

棘轮状断口通常是单向变化的扭转应力下形成，在反复的扭转应力作用下，首先在缺口、尖角或某些薄弱环节产生多源疲劳源，随后在拉伸应力作用下，沿着与主轴线成45°角方向扩展，同时在单向扭转力矩的作用下，裂纹呈螺旋状向中心扩展致断。

锯齿型断口是在双向交变扭转应力作用下形成。

图16 扭转疲劳断裂类型

六.轴的接触疲劳

轴件的接触疲劳多产生在轴与轴承滚针相接触的表面，经反复的滚动或滑动而在高的循环接触应力作用下产生的兼有疲劳和摩擦特征的一种破坏形式。表现为轴的表面损伤，如出现麻点或剥落。

七.轴超载一次性断裂（有两种破坏形式）

1.延性破坏是在纯扭转过程中，剪切应力超过了材料剪切强度而产生与轴线方向垂直或平行的剪切断裂。

2.脆性破坏是最大拉伸应力超过其抗拉强度之后而产生的与最

大拉应力方向相垂直的正断断裂。

轴的脆性断裂通常是指不发生塑性变形或只有少量塑性的突然断裂，断裂前无宏观变形预兆，所以是非常危险的断裂。

发生脆性断裂的原因很多，除淬火硬度过高，回火不足，加热温度过高发生过热过烧等因素外，常见的有以下几种：

1）脆性相或杂质原子在晶格上沉淀，是导致金属产生沿晶断裂的主要原因之一。

（1）晶格上存在脆性相，如碳化物。在外力作用下，由于变形能力不同，首先形成微空洞，这些空洞长大连接在一起，形成沿晶裂纹。或折出脆性相粒子连在一起，形成连续的脆性薄膜而分割基体的界面，形成脆断。

（2）晶界上杂质元素存在降低了晶界聚合能，从而为沿晶断裂提供了有利条件。因此，在一定的条件下造成了金属的沿晶断裂。

2）氢脆：是指由于氢渗入钢件内部而在低应力作用下产生的一种脆性断裂。大型轴件发生氢脆断裂也是一种常见的失效形式。

钢中氢的来源由冶炼过程中吸收的，或加工、使用过程中渗入的。一般认为溶解在钢中的氢通常是以原子状态下存在的。氢原子为尽量降低能量而与杂质原子、位错、空位等相互作用，力图结合成氢分子，在钢的晶格或缺陷处富集，形成高压。使微孔洞周围形成高的应力集中和滑移，在应力的作用下，使空洞不断长大，合并形成裂纹，扩展至一定程度时，产生突丝脆性断裂。

3）回火脆性：淬火钢回火时，其冲击韧性随回火温度升高出现

复杂的变化，在某些温度范围内使冲击韧性下降。在250～350℃和450～600℃的温度区间韧性下降，而在300℃左右和500℃左右出现两个低谷，即产生脆性现象，通称为回火脆性。

250～350℃区间产生的脆性称第一类回火脆性，是一种不可逆回火脆性。它与残余奥氏体的转变、马氏体分解沿晶界和亚晶界析出薄膜状渗碳体以及S.P.N等杂质元素在晶界的偏聚等因素有关。

第一类回火脆性对力学性能影响程度是不同的。对强度影响较小，即拉伸和弯曲应力对回火脆性的敏感程度较小。对应力集中较严重，冲击载荷较大或承受扭转载荷的工件。要求较大的塑性和韧性与强度相配合时，会增大脆性开裂的危险性。

对于应力集中不严重，承受拉伸、压缩或弯曲应力工作的工件影响较小。

450～600℃区间的称第二类回火脆性，是一种可逆的回火脆性。主要含有Ni、Cr、Mn等元素的合金钢中，并与钢中的P、As、Sb和Sn等杂质元素有关。

回火脆性只有马氏体组织在回火过程中才产生高温回火脆性，其实其它原始组织在高温回火脆性区回火也会发生不同程度的回火脆性。

第二类回火脆性敏感程度按F-P、B、M的顺序增大，另外钢的回火脆性倾向随奥氏体晶粒的增大而增大。

第二类回火脆性可通过高温回火后快速冷却来抑制回火脆性的发生。但对大型工件，由于心部冷却速度达不到要求，使这种方式受

到限制。另一方面快速冷却又会在工件中产生很大的残余内应力，故对大型工件往往需要采用低于回火脆性温度（450℃）进行补充回火。

脆性断裂的基本特征：

脆性断裂按断裂机制可为两类：解理断裂（穿晶断裂）和沿晶断裂。其共同特征为：

（1）断口附近没有颈缩现象，开裂边缘不存在剪切“唇口”

（2）断裂方向一般垂直于最大主应力，断口表面平齐。

（3）断口呈瓷状或颗粒状，或呈现裂纹急速扩展时形成放射状线条（或人字形花样）。

（4）转动断口可见闪闪反光的小片面，即沿某些特定的晶面开裂的解理面。

（5）断口有时比较亮，有时比较暗灰，呈现无定形粗糙面。

延性断裂，变形失效、磨损、蠕变和腐蚀等失效，在轴和齿轮中不常见，不再详述。