挖掘机挖斗销轴断裂原因分析 摘要: 石家庄钢铁有限责任公司 高建华 摘要 本文利用扫描电镜、金相显微镜等设备对挖掘 机挖斗销轴断裂件断口形貌、金相组织进行了检验分析,推断为用户加工和热处理工艺不当, 造成销轴注油孔开口处存在应力集中而导致疲劳破 ... 石家庄钢铁有限责任公司 高建华 摘要 本文利用扫描电镜、金相显微镜等设备对挖掘机挖斗销轴断裂件断口形貌、金相组织 进行了检验分析, 推断为用户加工和热处理工艺不当,造成销轴注油孔开口处存在应力集中而 导致疲劳破坏,为用户改进工艺提供了理论依 据。 关键词 疲劳断裂 应力集中 断口形貌 热处理 某用户使用挖掘机进行道路维修土方挖掘作业, 使用 1155 小时后机手在加注黄油时发现挖 斗销轴断裂向外退出,用手一拉即拉出半截销轴,现场为用户更换销轴后试机工作正常,销轴 材料为 40Cr,制造工艺为正火—机加工—调质处理—精加工—感应淬火—磁粉探伤检验,由 于供需双方对销轴断裂原因持不同意见,笔者受委托进行断裂销轴原因分析。 1、宏观分析 销轴外观无人为撞击痕迹,摩擦部位光亮均匀,无明显异常磨损,断裂位置位于销轴中部 不受摩擦处,沿衬套润滑油注油孔中心横向断裂,见图 1、图 2,断口形貌为典型的表面有应 力集中旋转弯曲低应力高周疲劳断口,裂纹源位于注油孔开口处,起始裂纹扩展缓慢,断口平 齐,扩展至 1/2 截面时扩展速度增加,明显可见贝壳纹,同时由于断裂过程中销轴旋转,扩展 方向发生偏转,瞬断区为椭圆状,距表面约 3mm,占整个截面 5%,见图 3。 图 1 断裂销轴整体形貌 图 2 断裂位置 图 3 断口形貌 2、理化检测 2.1 化学成分(%): 断裂件化学成分光谱分析结果 (质量分数,%)见表 1,符合 B/T3077-1999 标准要求。 2.2 断口检验: 在 Zeiss EVO 40 扫描电镜下观察断口起源于注油孔开口处,有明显疲劳台阶,未发现夹杂 等冶金缺陷,在扩展初期,由于应力较小,扩展速度较慢,断口因反复张合摩擦成较为光滑的 断口,见图 4、图 5;扩展中期速度加快,产生微裂纹和孔洞状撕裂,见图 6;扩展后期由于 应力较大,在表面多处形成新裂纹源同时向内扩展,形成圆弧状疲劳弧线,见图 7,最后断裂 区在距表面约 3mm 处形成,瞬断区微观形貌为准解理+韧窝断口,见图 8、图 9。 图 4 裂纹源 图 5 裂纹源放大 图6 高速扩展 图7 新裂纹源产生 图8 最后断裂 图9 瞬断区放大 2.3 低倍检验: 分别取断裂销轴距断口约 10mm 的横截面和原材试样进行低倍检验: 检验结果 为中心疏松 1.5 级,无低倍缺陷,见图 10、图 11。 图 10 销 图 11 原材 2.4 金相检验: 将断口磨平后使用 zeiss 200MAT 金相显微镜观察:注油孔开口处内侧较为粗糙, 两侧不对称,见图 12、图 13,组织为调质+表面淬火态,表面硬化层不均匀,最深处 1.4mm, 开口处 0.7mm,见图 14。 图 12 图 13 图 14 开口处组织 3、结果分析与讨论: 销轴化学成分、低倍检验和原材低倍检验均符合 GB/T3077-1999 标准要求。 断口检验为典型的表面有应力集中旋转弯曲低应力高周疲劳断口,裂纹源位于注油孔开口处, 明显可见贝壳状疲劳扩展条纹,瞬断区偏转并具有准解理+韧窝断口一次断裂特征。 金相检验断裂销轴组织为调质+表面淬火态,表面硬化层不均匀,注油孔开口处 硬化层较小,内孔加工粗糙,两侧不对称。 根据以上检验分析结果推断: 销轴在承受旋转弯曲应力时,由于表面组织不均匀和内孔机械加 工缺陷在注油孔开口处存在应力集中形成裂纹源,由于承受的应力较小,裂纹主要以疲劳形式 扩展,瞬断区仅占断口较小比例。 4、结论: (1)挖掘机挖斗销轴使用的钢材符合技术标准要求; (2)由于用户机加工和热处理工艺不当,造成销轴注油孔开口处存在应力集中而导致 提前疲劳破坏。