聯(lián)軸器是常見(jiàn)的機(jī)械部件,其用于聯(lián)接不同運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的主動(dòng)軸和從動(dòng)軸,使軸系共同旋轉(zhuǎn),同時(shí)傳遞扭矩。聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)形式多樣,并具有緩沖、減震、提高軸系動(dòng)態(tài)性能等功能,廣泛應(yīng)用于高轉(zhuǎn)速小扭矩、低速重載等動(dòng)力傳遞系統(tǒng)。聯(lián)軸器按方向通常分為主動(dòng)軸側(cè)和從動(dòng)軸側(cè)聯(lián)軸結(jié)構(gòu)。一般而言,聯(lián)軸器由彈性體、剛性軸、轉(zhuǎn)接體等組成。其中,彈性體多由橡膠或金屬膜片制成；兩端轉(zhuǎn)接體選用法蘭、花鍵等機(jī)械結(jié)構(gòu)；中間剛性軸則分為實(shí)心鋼軸、萬(wàn)向（節(jié)）軸、伸縮花鍵軸等結(jié)構(gòu)。 

某大型液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中聯(lián)軸器的整體實(shí)心鋼軸發(fā)生斷裂現(xiàn)象。該傳動(dòng)軸的材料為45鋼,傳動(dòng)軸一端連接彈性體的法蘭盤(pán),另一端為安裝傳動(dòng)平鍵和法蘭零件的小直徑軸（帶鍵槽）,斷裂位置為距離最大直徑與法蘭盤(pán)過(guò)渡的圓弧約10 mm處。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了該傳動(dòng)軸斷裂的原因,以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

斷裂傳動(dòng)軸的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷裂部位距離法蘭與最大直徑135 mm軸過(guò)渡R圓角部位約10 mm,斷口兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)塑性變形；沿心部的中心定位孔至邊緣80%的區(qū)域內(nèi)較粗糙,邊緣部位斷口平坦,法蘭側(cè)整個(gè)斷口表面有黃褐色的銹蝕；軸一側(cè)斷口特征清晰、完整,表面無(wú)銹蝕,斷口心部可見(jiàn)橢圓狀和長(zhǎng)條狀銀色斑點(diǎn)。 

圖  1  斷裂傳動(dòng)軸的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在斷裂傳動(dòng)軸上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂傳動(dòng)軸的化學(xué)成分符合GB/T 699—2005 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)45鋼的要求。 

1.3   力學(xué)性能測(cè)試

在斷裂傳動(dòng)軸上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂傳動(dòng)軸的力學(xué)性能不符合GB/T 699—2005的要求。 

1.4   掃描電鏡(SEM)分析

在傳動(dòng)軸斷口處取樣,對(duì)試樣進(jìn)行SEM分析,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：整個(gè)斷口呈河流花樣；斷口心部粗糙區(qū)域主要呈沿晶+少量準(zhǔn)解理特征；裂紋擴(kuò)展區(qū)存在較多的二次裂紋,沿中心至邊緣區(qū)域進(jìn)行觀察,邊緣區(qū)域形貌與心部形貌基本一致；整個(gè)斷口以沿晶+準(zhǔn)解理特征形貌為主,整個(gè)斷口呈氫脆斷口特征[1]。 

圖  2  傳動(dòng)軸斷口SEM形貌

1.5   金相檢驗(yàn)

在斷口心部及邊緣處取樣,對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：試樣心部和邊緣區(qū)域均存在較多的非金屬夾雜物,夾雜物為硫化物,夾雜物附近可觀察到顯微裂紋。 

圖  3  斷口心部及邊緣處微觀形貌

斷口心部及邊緣處的顯微組織形貌如圖4所示。由圖4可知：試樣心部組織為貝氏體,邊緣區(qū)域組織為貝氏體+回火索氏體。心部與邊緣晶粒度一致,按照GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度的測(cè)定》評(píng)為8.0級(jí)；未發(fā)現(xiàn)心部存在過(guò)熱、過(guò)燒等異常組織,在心部區(qū)域存在較多的小裂紋（見(jiàn)圖5）。 

圖  4  斷口心部及邊緣處的顯微組織形貌

圖  5  斷口心部及邊緣處晶粒的微觀形貌

1.6   熱酸蝕試驗(yàn)

在直徑為135 mm的軸一側(cè)斷口附近取橫截面試樣,對(duì)試樣進(jìn)行熱酸蝕試驗(yàn),結(jié)果顯示試樣心部區(qū)域存在較多的鋸齒狀小裂紋,小裂紋宏觀呈同心圓分布形貌（見(jiàn)圖6）。 

圖  6  斷口處的低倍組織形貌

2.   綜合分析

該斷裂聯(lián)軸器傳動(dòng)軸的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求,力學(xué)性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,尤其是斷后伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。斷口粗糙區(qū)域存在橢圓狀和長(zhǎng)條狀斑點(diǎn),斷口呈沿晶+準(zhǔn)解理特征,擴(kuò)展區(qū)分布有較多的二次裂紋,與熱酸蝕試驗(yàn)后觀察到的呈同心圓分布的鋸齒狀小裂紋相吻合,且未發(fā)現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)燒組織。斷裂傳動(dòng)軸中氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002 1%。綜合上述分析,聯(lián)軸器傳動(dòng)軸心部鋸齒狀小裂紋為白點(diǎn)缺陷,聯(lián)軸器傳動(dòng)軸的斷裂原因?yàn)榘c(diǎn)缺陷導(dǎo)致的延遲開(kāi)裂。由于力學(xué)性能試樣取樣位置為半徑1/2處,處于45鋼材料的未完全淬透區(qū)域,且材料中存在白點(diǎn)缺陷,導(dǎo)致材料的力學(xué)性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 

白點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生原因?yàn)椋涸谝睙掃^(guò)程中,鋼液及輔料中的水分在高溫作用下分解出氫元素,當(dāng)鋼液的脫氫處理不充分時(shí),澆鑄成型后溶解在鋼中的氫以原子形式溶解于鋼材中,或以分子形式在鋼材缺陷部位聚集,緩慢富集到一定程度,會(huì)造成局部應(yīng)力集中,當(dāng)應(yīng)力超過(guò)鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí),在鋼中形成細(xì)微裂紋,這些裂紋常以微小裂紋群的形式出現(xiàn),在低倍斷口上呈現(xiàn)圓形或橢圓形銀白色斑點(diǎn)。通常情況下,服役前的氫聚集多稱(chēng)為白點(diǎn)缺陷,氫致開(kāi)裂（包含白點(diǎn)）具有延遲性和隱蔽性[2-3],白點(diǎn)缺陷可能導(dǎo)致鋼件在后續(xù)熱處理或使用過(guò)程中突然斷裂,造成安全事故。因此,不允許鍛鋼件中存在白點(diǎn)缺陷,且現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)方法不能直接給出表征缺陷性質(zhì)的判定信息,可能導(dǎo)致漏檢白點(diǎn)缺陷。通常鋼的氫致開(kāi)裂需要滿足3個(gè)條件[4],即一定濃度的氫、一定的拉應(yīng)力和敏感性顯微組織。其中,馬氏體伴隨有較大的相變應(yīng)力,對(duì)氫脆最為敏感,其次為貝氏體、屈氏體,而索氏體或者鐵素體＋珠光體對(duì)氫脆敏感性最小。氫脆一經(jīng)產(chǎn)生,就不能消除。因此,必須在尚未產(chǎn)生微裂紋的情況下,通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間脫氫處理來(lái)降低鋼中的氫濃度。 

聯(lián)軸器傳動(dòng)軸中存在較多的非金屬夾雜物,非金屬夾雜物的類(lèi)型為硫化物,硫化物的附近可觀察到顯微裂紋,較多的硫化物使材料形成氫陷阱,氫陷阱是指材料中氣孔、偏析、各種晶體缺陷(如空位、位錯(cuò)、晶界和相界等)、第二相(包括夾雜)、各種溶質(zhì)元素等周?chē)嬖诘膽?yīng)變場(chǎng),該應(yīng)變場(chǎng)與氫的應(yīng)變場(chǎng)相互作用,把氫吸引在缺陷或第二相周?chē)?這種捕獲氫的缺陷或第二相就稱(chēng)為氫陷阱[5-6]。當(dāng)氫含量較高時(shí),氫陷阱處聚集了氫,導(dǎo)致材料產(chǎn)生氫致裂紋。 

3.   結(jié)論

聯(lián)軸器傳動(dòng)軸斷裂形式為氫致斷裂,斷裂原因?yàn)樵牧显谏a(chǎn)過(guò)程中脫氫不充分,且材料內(nèi)部存在較多的非金屬夾雜物,氫原子在非金屬夾雜物附近聚集形成氫陷阱,在組織和內(nèi)應(yīng)力的共同作用下,形成以微裂紋群形式存在的白點(diǎn)缺陷,裂紋在白點(diǎn)缺陷部位萌生并擴(kuò)展,最終導(dǎo)致傳動(dòng)軸斷裂。 

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