武永福，徐春雷，翟 浩

（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272000）

销轴联接是工程机械工作或行走装置中两相对运动部件铰接的主要形式，在机器工作过程中，销轴承受较大往复循环的剪切力，在工作中容易发生断裂失效，造成较大的经济损失。

某推土机失效销轴材质为40CrMn，基体热处理状态为调质，销轴通过止口以限制其轴向窜动和圆周转动，但联接部件绕销轴做旋转运动，所以销轴表面进行了高频淬火，硬度为HRC52～60。

本文从设计、原材料、热处理及加工方面对失效原因进行了逐一排查。

1 设计计算

了解轴上的应力对销轴的失效形式十分重要。作用在轴上不同载荷可以使轴受拉伸、压缩、扭转、弯曲，或者其中几个力的复合作用，轴上由此产生不同应力和应力分布。本故障案例中，由于该销轴主要铰接推土机车架和行走架机构，在整机工作行走过程中受到交变剪切应力。通过有限元求解，销轴最大应力出现在变直径过渡圆角处，即销轴断裂处，其最大应力为313MPa，材料屈服强度σs为650MPa，设计安全系数为2，完全满足要求。但从有限元分析来看，断裂圆角R2处存在应力集中。如果在加工时，圆角过渡不圆滑，存在尖角更容易加剧应力集中，具体见图1［3］。

2 故障件分析

故障件分析主要通过机械性能、化学成分、非金属夹杂物及热处理后的组织进行逐项检验排查。

图1 有限元分析

（1）加工工艺调研。

掌握销轴的加工工艺过程对失效分析非常必要。从原材料加工成销轴零件，需经过机械加工、热处理及精加工多道工序。以该失效销轴为例，材质为40CrMn，直径为φ90，要求调质且表面淬火。其加工工序为：下料—粗车—热处理（调质）—半精车—热处理（感应淬火）—磨外圆。从工序分析来看，材料、热处理及半精加工易造成销轴失效，是失效要因分析的重点。

（2）销轴断口形态分析。

从销轴的断口形貌观察来看，断口有明显的3个区域，分别为裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和最终断裂区。从宏观观察来看，销轴下侧断面较上侧光滑，并在边缘处呈现锯齿状断口。可以判定，销轴安装下侧锯齿状附近为裂纹源区；靠近下侧区域呈现光滑陶瓷状形貌，并能观察到轻微的贝纹线，该区域为裂纹扩展区；靠近销轴上侧断面呈现沟壑状，为纤维状断口，且呈暗灰色，由此推断出该区域为销轴瞬间断裂区。瞬间断裂区面积比较大，说明该销轴承受载荷较大（见图2）。

图2 销轴的断口形貌

另外，从销轴表面的颜色观察发现，销轴表面有黑褐色氧化痕迹，可以判断出销轴在缺油状态下工作，且其工作温度不低于400℃。

（3）断口试样的截取位置及方法。

为了对零件的断裂原因进行有效分析，科学合理取样是获得证据的关键之一。分析试块最好从断裂源附近截取，截取过程中不得损伤断口和裂纹源。截取前对试样进行编号并拍照，以避免截取后无法辨认。截取时，切口与断裂源应保持一定的距离以防止加工热量影响断口显微组织和断口形貌。另外，切取试样如果要使用冷却液或其它介质时，应确保其不会对试样或裂纹的表面造成损伤或污染，必要时对裂纹或断口进行保护（见图3）。

（4）原材料机械性能检验。

机械性能试验是判断原材料是否合格的有效手段之一，是测定材料在一定环境条件下受力或能量作用时所表现出的特性试验。测定项目主要包括屈服强度、抗拉强度、伸长率、收缩率及常温冲击功5个项目。在加工试样时，必须按相关标准要求，排除加工试样不合格因素造成原材料不合格误判。机械性能依据GB/T 228-2010、GB/T 229-2007标准进行试验。通过对本故障件检验来看，机械性能合格（见表1）。

图3 断口试样的截取位置及方法

表1 故障件机械性能检验

（5）化学成分检验。

化学成分检验是判断原材料是否合格的另一有效手段，化学成分分析主要鉴定金属化学成分是否满足相关标准要求。最常用的有发射光谱法和称重法分析。采用发射光谱法对失效试样进行了测试，原材料化学成分完全满足要求（见表2）。

表2 故障件化学成分检验

（6）金相检验。

金相检验包括表面硬度、基体硬度、硬度梯度及金相组织及晶粒度。该项目是验证工件热处理质量情况的主要手段。对于金属热处理材料来说，硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要性能指标，表面硬度、基体硬度及硬度梯度是保证零部件能否满足机械性能要求的必要条件之一。

用硬度计测量故障件表面硬度，其结果为HRC52～55，基体硬度为HB251～260，图纸要求HB277～331。从硬度结果来看，销轴硬度偏低。通过金相组织检验，其组织为回火索氏体，晶粒度为6～7级，完全合格，具体见图4［1］。

图4 故障件金相组织检验

（7）断口微观形貌的检验。

断口中包含了断裂全过程的许多珍贵信息，所以研究断裂时，对断口的细致观察和研究十分必要。通过断口分析，可以研究断裂的一些基本问题，如断裂的起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制及断裂过程的应力状态。断口的微观观察用金相显微镜或电子显微镜进行高放大倍率的观察。通过微观观察可以进一步核实宏观观察得到的信息，确定断裂的性质、断裂源位置、裂纹走向及扩展速度。在此，对故障件的试块通过电子显微镜2000倍的放大，对断裂面形貌特征进行了扫描观察，故障件形貌呈韧窝、空坑及叠波等花样，是一种典型的韧性断裂，见图5［2］。

图5 断面电子显微组织

（8）断裂处圆角加工质量的检查。

销轴变径过渡圆角的加工质量及粗糙度直接影响圆角处是否存在应力集中。该故障件圆角半径为1mm，在高倍显微镜下观察到R1圆弧不连续，且存在肉眼可见的明显加工刀纹，这就加大了圆角处的应力集中，降低了轴的疲劳强度（见图6）。

图6 故障件过渡圆角情况

3 结论及建议

从断裂面的形貌特征和各项检验来看，销轴断裂主要因为应力集中导致的强度不足所致，具体表现为：

（1）机器工况为水泥推平，水泥中存在大量石子，在高速倒退时对销轴的冲击较大；

（2）由于销轴与衬套润滑不良，导致衬套磨损严重，其间隙增大，加剧对销轴的冲击；

（3）销轴主要承受整机重量，断裂处R1圆角偏小且粗糙度较低，易造成应力集中，在冲击力的作用下产生裂纹，裂纹延伸至1/3截面后，产生塑性断裂；

（4）由于销轴热处理后的基体硬度偏低，机器在工作过程中，销轴与衬套处于滑动工装状态，由于其润滑不良造成销轴在滑动工作中产生大量摩擦热，导致销轴进一步回火，使其硬度降低，加速了销轴的断裂失效。

因此，可适当提高销轴的调质硬度，变径过渡圆角由R1增大至R3，并保证圆角R3圆滑过渡。另外，机器工作过程中确保销轴润滑良好。

［1］ 黄振东. 钢铁金相图谱［M］. 北京：中国科技文化出版社，2005.

［2］ 刘正义，吴连生，许麟康，等. 机械装备失效分析图谱［M］. 广东科技出版社，1990.

［3］ 成凯，黄奎英，杨永海，等. 推土机平衡梁和车架纵梁的工作应力测定与分析［J］. 农业工程学报，1997.