摘 要:某材料为42CrMo的石料圆锥破碎机主轴在使用半年后发生早期断裂,采用宏观分析、 化学成分分析、非金属夹杂物评定、低倍试验、拉伸试验、冲击试验、硬度试验、平均晶粒度评定、金相 检验、微观分析和能谱分析等方法对断裂轴进行失效分析。结果表明:在破碎机运行过程中,主轴和 锥体芯之间发生磨损,主轴外圆周表面产生微裂纹,最终主轴在循环载荷作用下发生疲劳断裂。

关键词:破碎机;磨损;疲劳;失效分析

中图分类号:TG115.5;TH117.1 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)02-0070-06

某石料圆锥破碎机的主轴在使用半年后发生早 期断裂 (见 图 1)。该 断 裂 主 轴 的 材 料 为 42CrMo 钢,硬度为220~250HB,淬火温度为840 ℃,淬水 过油,回火温度为660 ℃。断裂发生在主轴的最大 直径处;主轴和锥体芯(材料为 ZG270-500铸钢)是 相互固定不动的;断裂发生在主轴和锥体芯相互嵌 套的内部区域。从破碎机的工作原理可以看出,主 轴和锥体芯会在工作过程中产生较大的交变应力。 为了查明主轴断裂的原因,笔者对主轴进行了一系 列的理化检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观分析

断裂主 轴 整 体 未 发 现 明 显 的 塑 性 变 形 (见 图2),断口可分为3个区域:裂纹源区、裂纹扩展区和 最终断裂区。断口上有明显贝壳状条纹,具有典型 疲劳断口特征。在断口表面发现有4处疲劳裂纹源 (简称疲劳源),从源区所占的面积及贝壳状条纹的 分布形态来看,其中一个为主裂纹源,其他3个为次 疲劳源。在主裂纹源区发现较深且较粗的疲劳台 阶,说明主裂纹源为线性裂纹源。从裂纹源、贝壳状条纹分布形态及瞬断区面积较小的特征来看,该断 口为低应力单向弯曲疲劳断口。

在断口附近的外圆表面上发现大量的小麻坑和 变形,在部分外圆表面上发现周向裂纹,该外圆表面 符合微动磨损的表面特征;在主裂纹源处断口下方 的外圆表面上,发现疑似异金属黏附,这可能是黏着 磨损造成的(见图3)。

1.2 化学成分分析

在主轴 的 1/3 半 径 处 取 样,依 据 标 准 GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测 定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》,使用型号 为 MAXxLMM14的光谱仪进行化学成分分析,结 果如表1所示。由表1可知,断轴的化学成分符合 GB/T3077—2015 《合金结构钢》对 42CrMo特级 优质钢的化学成分技术要求。

1.3 非金属夹杂物评定

依据标准 GB/T10561—2005 《钢中非金属夹 杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》,分别在 主轴1/3半径处和近表面取样,采用 DMI3000M 型 金相显微镜分析测试,结果如表2和图4所示。由 表2可知,在试样中仅发现轻微的 D 类细系夹杂 物,符合 GB/T3077—2015标准对特级优质钢的非 金属夹杂物技术要求,材料纯净度较高。

1.4 低倍组织检验

依据标准 GB/T226—2015 《钢的低倍组织及 缺陷酸蚀检验法》,对主轴横截面进行低倍检验,然 后依据标准 GB/T1979—2001《结构钢低倍组织缺 陷评级图》进行评定,结果如表3和图5所示。低倍 组织测试结果符合标准 GB/T3077—2015对特级 优质钢的低倍组织的技术要求。

1.5 拉伸试验

依据标准JB/T5000.8—2007 《重型机械通用 技术条件 锻件》,在主轴1/3半径处纵向取样,依据 标准 GB/T228.1—2010 《金属材料拉伸试验 第1 部分:室温试验方法》使用 CMT5305型电子万能材 料 试验机进行拉伸试验,结果如表4所示。拉伸试验结果符合标准JB/T6988—2015 《弹簧圆锥破碎 机》对主轴力学性能的技术要求。

1.6 冲击试验

依据标准JB/T5000.8—2007 《重型机械通用 技术条件 锻件》,在主轴1/3半径处纵向取样,依据 GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方 法》,使用 ZBC2452-3型金属摆锤冲击试验机进行 冲击试验,试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm。 冲击试验结果不符合JB/T6988—2015 《弹簧圆锥 破碎机》对主轴力学性能的技术要求。

1.7 硬度试验

参考JB/T5000.8—2007标准,在主轴1/3半 径处取样,依据标准 GB/T231.1—2018 《金属材料 布氏硬度试验 第1部分:试验方法》使用数显布氏 硬度计(型号为320HBS-3000)进行硬度试验,结果 符合客户提供的硬度技术要求。

1.8 平均晶粒度评定

依据标准 GB/T6394—2017《金属平均晶粒度 测定方法》,分别在主轴1/3半径和近表面处取样, 采用金相显微镜(型号为 DMI3000M)进行分析检 测,平均奥氏体晶粒度均为8.0级(见图6)。结果符 合标准 GB/T3077—2015对特级优质钢的平均晶 粒度技术要求。

1.9 金相试验

依据标准 GB/T13298—2015 《金相显微组织 检验方法》,采用金相显微镜(型号为 DMI3000M) 观察分析。观察断口附近外圆表面抛光后的微观形 貌,发现很多周向裂纹和大小不一、形态各异的凹坑 (见图7)。

在主疲劳源处纵向取样,在外圆表面发现径向 微裂纹和凹坑,这些裂纹由外表面向内部扩展[见图 8a)];腐蚀后,在部分外圆表面、凹坑和裂纹附近表 面发现纤维状组织,是表面发生塑性变形造成的[见 图8b)]。

在图3中疑似异金属黏附处纵向取样,截面上 部发现有一层不同于基体显微组织的“白层”,该白 层靠近基体处为白亮色,往外则为纤维状变形组织 在该白亮层和其附近基体处进行显微硬 度试验,发现白亮层的硬度要明显高于基体的硬度, 白亮层的显微硬度为550 HV,纤维状组织区域的 显微硬度为430 HV,基体的显微硬度为248HV, 说明该白亮层的显微组织为二次淬火马氏体,往外的纤维状组织为经持续磨损后的再回火组织。

在主轴1/3半径处取样进行显微组织观察,该 位置的显微组织为贝氏体+珠光体+少量铁素体+ 少量回火索氏体(见图10)。

1.10 扫描电镜形貌分析和能谱分析

在断口的主疲劳源区、主裂纹扩展区和最终断 裂区取样,将试样在无水乙醇中进行超声波清洗,然 后使用扫描电子显微镜(型号为S-3400N)进行微观 断口分析。在主疲劳源区可以观察到从疲劳源区表 面向内部延伸的应力台阶,在主裂纹扩展区可以观 察到疲劳裂纹,在最终断裂区可以观察到同时具有 河流花样、舌状花样的解理断口形态特征和韧窝、撕 裂棱等韧性断口形态特征的准解理断口形貌特征 (见图11)。

对外圆表面的嵌入物和磨损处进行能谱(EDS) 分析,发现钙、镁、硅等不同于金属基体化学成分的 元素(见表5和图12)。对疑似异金属黏附处进行 EDS分析,发现白亮层不含铬元素,与基体材料明 显不一致(见图13)。

2 综合分析

经过分析,断裂主轴的化学成分、非金属夹杂物 和横截面低倍组织均符合标准 GB/T3077—2015 中42CrMo特级优质钢的相关技术要求,说明原材 料无冶金缺陷。

试样的拉伸试验结果符合JB/T6988—2015中 对主轴拉伸的技术要求,硬度结果符合客户提供的 规范要求,但冲击结果低于标准JB/T6988—2015 中对主轴冲击性能的技术要求。可能与该位置未淬 透,显微组织为贝氏体+珠光体+少量铁素体有关。 外圆表面和主轴1/3半径处的晶粒度均符合 GB/T 3077—2015标准中对42CrMo特级优质钢的技术 要求,说明热处理过程中未出现过热等异常状况。

从宏观断口分析可知,该断口为低负荷单向弯 曲疲劳断口,疲劳源位于断轴外圆表面,然后向另一 侧扩展直至失稳断裂。在断口上发现多个疲劳源, 其中一个为主疲劳源,其他为次疲劳源。在破碎机 运行过程中,主疲劳源引起裂纹持续扩展直至断裂。

对外圆周面进行宏观观察,发现大量的小麻坑, 以及在部分外圆表面上发现了周向裂纹;金相检验 时发现了大量的周向微裂纹和凹坑,以及由于塑性 变形而产生的纤维状组织[1-2]。

在断口主疲劳源处下方的外圆表面上,宏观观察可见疑似异金属黏附,从能谱分析结果来看,外圆 表面嵌入物中不含铬元素,与基体材料42CrMo钢 明显不一致,可能为锥体芯中的金属黏附在主轴上, 符合黏着磨损特征[1] ;该区域的显微组织表现为淬 火马氏体和变形纤维状组织,为受到摩擦磨损时形 成的[3]。

能谱分析显示,外圆表面凹坑内的嵌入物中含 有钙、镁、硅等金属基体不含的化学元素,这些元素 主要来自于石料破碎环境中的粉尘或灰尘[4],这些 灰尘进入到轴和锥体芯,随着磨损进行会形成化合 物硬颗粒,从而导致轴和锥体芯间产生磨料磨损[1]。

主轴和锥体芯两者之间在宏观上表现为静止不 动,但当装置长期持续运行时,主轴会受到非常复杂 的交变应力作用,如果主轴和锥体芯之间产生微小 振动或滑动,就会在主轴和锥体芯配合处出现微动 磨损和配合面松动。主轴和锥体芯之间载荷较大且 有微动时,就容易发生黏着磨损。石料破碎机的工 作坏境充斥着粉尘和灰尘,这些物质在主轴和锥体 芯产生相对运动时,会进入其间,从而产生磨粒磨损。这些磨 损 均 可 能 使 主 轴 外 圆 表 面 产 生 微 裂 纹[4]。

3 结语

主轴断裂原因是主轴和锥体芯之间在破碎机运 行过程中产生磨损,于主轴外圆周表面磨损处产生 了微裂纹,从而形成了疲劳源,在循环载荷作用下发 生裂纹扩展导致疲劳断裂。

参考文献:

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[2] 胡世炎.机械失效分析手册[M].成都:四川科学技术 出版社,1999.

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[4] 张艳立.聚酯装置缩聚反应器搅拌轴及轴套损坏原因 分析[J].通用机械,2010(5):50-52.

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