被动轴断裂失效分析

结论
4. 此被动轴断裂为四段是一次性断裂所致。 5. 至于超载的原因，根据现有的分析结果及资料，尚无 法给出唯一的结论，但可以得出如下两个推断。 （l）被动轴外表面的挤压伤痕（见图8）恰好位于装配 7224和42224轴承的轴肩处由此可以认为，此伤痕是由于 轴承破碎后挤压造成的（因在现场仅找到三个破损的轴 承滚子，未找到其余的滚子和轴承内外环残体）；从而 可进一步认为，超载是由于破碎轴承的嵌入和挤压作用 而导致正常运转的被动轴骤然停转所致。 （2）被动轮动力输出端出现异常负载。
1. 被动轴断裂失效分析
1.1 委托方提供的原始资料
1）断裂被动轴（四段）。 2）7224轴承滚子1个，42224轴承滚子2个。 3）该轮设计计算书1份。 4）该轴冷、热加工工艺。热处理工艺为：850℃淬火（油冷），150℃回火
3小时，热处理后硬度规定为：HB444～321。 5）该轴装配及零件图纸2张。
1.2.2 显微组织分析
光学显微镜的观察结果表明，该轴的显微组织比较均匀，从铀的外表面 至内表面均为回火马氏体组织。图2a、b分别为该轴横截试样内表面附近 和中间区域处的显微组织光学照片。这种板条马氏体经过扫描电镜观察 得到进一步证实，见图3a和b。
a)
b)
图4.1 被动轴的显微组织光学照片 500× a) 内表面附近区域； b）中间区域
图4.3 该轴断裂后经拼合的全貌
图4.4 该轴动力输入端花键部分的扭曲变形
图4.5 沿螺旋面扩展而形成的断口
图4.6 该轴安装轴承处的轴外表面的挤压伤痕
2) 断口分析 由断口的宏观照片（图4.7 和4.8 ）可见，断口呈现明显的放射状条纹，且 快速扩展区的断口比较粗糙，见图4.9 。根据放射状条纹的走向，最后确定裂 纹起源于油孔与轴外表面的交角处，见图4.10和图4.7、4.8。由图4.10可见，断 口上有两个裂纹源，它们分别位于油孔的两侧。裂纹由此两处启裂，继而沿 螺旋面分别向两侧扩展，直至最后断裂成四段。
439
439
439
445
445
433
422
硬度测试结果表明，硬度在该轴径向分布较均匀，硬度值均符合图纸技术要 求(321.16.017中规定)。轴承滚子硬度测试结果如下：
滚子类型
7224
63.0
42224
61.5
62.5 61. 0
硬度值(HRC) 61.5 61. 0
62.5 60. 5
平均值(HRC)
某国炮弹试射的炸膛事故
• 引例
• 产品失效的后果是引发事故，甚至重大或 灾难性的事故，造成生命财产的巨大损失。
• 美国挑战者号航天飞机第10次飞行故障。 航天飞机起飞1分钟后爆炸，这次爆炸使航 天飞机顷刻之间化为灰烬，机毁人亡，7名 宇航员全部遇难。事故原因是右侧固体火 箭助推器尾部连接处的密封垫圈失效。
• 机械产品失效分析是一门新的跨学科的综合性技 术。它研究失效的形式、机理，并提出预测和预 防失效的措施。
• 失效分析涉及学科领域广：机械设计，工艺学， 材料学，无损检测，工程力学，断口学，断裂力 学，腐蚀化学，摩擦学，质量管理等等。
• 掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材 料是从事机械设计与制造的工程技术人员的基本 要求，因为选材是否合理直接关系到产品质量和 经济效益。大量事实证明许多机器的重大质量事 故也都来源于选材问题，因此掌握选材方法的要 领，了解正确选材的过程是十分必要和有实际意 义的。随着科学技术的发展，选材工作正向科学 化和规范化发展。
图4.7 断口的宏观照片
图4.9 断口的宏观照片
图4.10 断口的宏观照片 图中注示处为启裂点(裂纹源)
图4.8 断口的宏观照片
在裂纹源附近可以观察到较小的平滑区域。经扫描电镜高倍观察，发 现在裂纹源附近区域有疲劳条纹，见图4.11。在远离裂纹源处的断口 主要以韧窝型为主，参见图4.12。
a 2400×
61.5
62.2
62. 0
61. 2
2、强度指标 3、韧性指标
σb＝1790MPa σs＝1280MPa δ＝10.8% ak＝5.15kg·m/cm2
4、断裂与断口分析 1）断裂分析 图4是此轴断裂后经拼合的全貌照片，整个轴已断裂为四段。可以发现，该 轴动力输入端部分曾因承受异常载荷而发生严重扭曲，这说明该轴在断裂 前已发生明显的塑性变形，见图4.3。
b 3600×
图4.11 裂纹源附近区域断口的疲劳条纹（SEM照片）
a
b
图4.12 快速扩展区的韧窝型断口（SEM照片）600×
结论
1. 根据计算，能使被动轴动力输入端花键部分产生扭转 塑性变形的最小扭矩应当为：21000kg·m，此为设计力矩 （4744kg·m）的4.4拖倍。因此，断裂前输入端花键部分 发生塑性变形说明该轴承受了异常的突加载荷。超载导 致被动轴断裂，这是本次事故的主要原因。 2. 经分析测试，该轴用材的化学成份及热处理后的硬度 均符合生产图纸（32.16.017）技术要求。 3. 在裂纹启裂点附近有疲劳区，但根据断裂前花健部分 的塑性变形可以判断，此疲劳裂纹尚未达到该轮在正常 运行条件下发生失稳扩展的临界尺寸。
“ 挑战者” 号航天飞机
1986年1月28日失事
• 1979年9月7日我国某电化厂氯气车间 的液氯瓶爆炸，使10t氯液外溢扩散， 波及范围达7.35平方公里，致使59人 死亡，779人中毒，直接损失达63万元。
• 1972年10月，一辆由齐齐哈尔开往富 拉尔基的公共客车，行使至嫩江大桥
时因过小坑受到震动，前轴突然折断， 致使客车坠入江中，造成28人死亡。
a)
b)
图4.2 该被动轴的显微组织扫描电镜照片 1200×
1.2.3 机械性能测试
1、硬度 测试该轴的硬度在径向上的分布，其结果如下：
距外表面径向距离(mm)
2.0
7.0
13.0
19.5
24.5
29.0
33.0
硬 度(HRC)
46.5 46.5
46.5Biblioteka 47.047.046.0
45.0
相 当 于(HB)
1.2 观察与分析
1.2.1 化学成份分析
在已断裂的被动轴上取样，经化学分析其成份如下：
C Si Mn 0.23 0.36 0.38
P S Cr Ni / 0.011 1.25 3.45
上述分析结果与 GB3077－82 中的 20Cr2Ni4A 钢的化学成份 相符，该轴选材符合图纸（321.16.017）技术要求。