摘 要:某材料為42CrMo的石料圓錐破碎機主軸在使用半年后發生早期斷裂,采用宏觀分析、 化學成分分析、非金屬夾雜物評定、低倍試驗、拉伸試驗、沖擊試驗、硬度試驗、平均晶粒度評定、金相 檢驗、微觀分析和能譜分析等方法對斷裂軸進行失效分析。結果表明:在破碎機運行過程中,主軸和 錐體芯之間發生磨損,主軸外圓周表面產生微裂紋,最終主軸在循環載荷作用下發生疲勞斷裂。

關鍵詞:破碎機;磨損;疲勞;失效分析

中圖分類號:TG115.5;TH117.1 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)02-0070-06

某石料圓錐破碎機的主軸在使用半年后發生早 期斷裂 (見 圖 1)。該 斷 裂 主 軸 的 材 料 為 42CrMo 鋼,硬度為220~250HB,淬火溫度為840 ℃,淬水 過油,回火溫度為660 ℃。斷裂發生在主軸的最大 直徑處;主軸和錐體芯(材料為 ZG270-500鑄鋼)是 相互固定不動的;斷裂發生在主軸和錐體芯相互嵌 套的內部區域。從破碎機的工作原理可以看出,主 軸和錐體芯會在工作過程中產生較大的交變應力。 為了查明主軸斷裂的原因,筆者對主軸進行了一系 列的理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

斷裂主 軸 整 體 未 發 現 明 顯 的 塑 性 變 形 (見 圖2),斷口可分為3個區域:裂紋源區、裂紋擴展區和 最終斷裂區。斷口上有明顯貝殼狀條紋,具有典型 疲勞斷口特征。在斷口表面發現有4處疲勞裂紋源 (簡稱疲勞源),從源區所占的面積及貝殼狀條紋的 分布形態來看,其中一個為主裂紋源,其他3個為次 疲勞源。在主裂紋源區發現較深且較粗的疲勞臺 階,說明主裂紋源為線性裂紋源。從裂紋源、貝殼狀條紋分布形態及瞬斷區面積較小的特征來看,該斷 口為低應力單向彎曲疲勞斷口。

在斷口附近的外圓表面上發現大量的小麻坑和 變形,在部分外圓表面上發現周向裂紋,該外圓表面 符合微動磨損的表面特征;在主裂紋源處斷口下方 的外圓表面上,發現疑似異金屬黏附,這可能是黏著 磨損造成的(見圖3)。

1.2 化學成分分析

在主軸 的 1/3 半 徑 處 取 樣,依 據 標 準 GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測 定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》,使用型號 為 MAXxLMM14的光譜儀進行化學成分分析,結 果如表1所示。由表1可知,斷軸的化學成分符合 GB/T3077—2015 《合金結構鋼》對 42CrMo特級 優質鋼的化學成分技術要求。

1.3 非金屬夾雜物評定

依據標準 GB/T10561—2005 《鋼中非金屬夾 雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》,分別在 主軸1/3半徑處和近表面取樣,采用 DMI3000M 型 金相顯微鏡分析測試,結果如表2和圖4所示。由 表2可知,在試樣中僅發現輕微的 D 類細系夾雜 物,符合 GB/T3077—2015標準對特級優質鋼的非 金屬夾雜物技術要求,材料純凈度較高。

1.4 低倍組織檢驗

依據標準 GB/T226—2015 《鋼的低倍組織及 缺陷酸蝕檢驗法》,對主軸橫截面進行低倍檢驗,然 后依據標準 GB/T1979—2001《結構鋼低倍組織缺 陷評級圖》進行評定,結果如表3和圖5所示。低倍 組織測試結果符合標準 GB/T3077—2015對特級 優質鋼的低倍組織的技術要求。