关于花键轴断裂失效分析

关于花键轴断裂失效分析

张建涛王晓永

中国一拖集团有限公司中小轮拖装配厂河南省洛阳市471003

摘要：花键轴断裂可能会导致失效现象，对此有必要明确断裂的根源。针对断裂后的断口应当分析金相组织以及化学成分，通过微观与宏观检查的方式来判断花键轴的失效根源。经过静态拉伸试验可知，花键轴断裂应当属于疲劳断裂的一种类型。从显微观察的角度来看，断裂后的花键轴本身具有较低的强度与硬度，魏氏组织存在于断面的内部。由此可见，花键轴如果长期处于较疲劳的状态下，那么很可能由于断裂而失效。

关键词：花键轴；断裂；失效

Fracturefailureanalysisofsplineshaft

JiantaoWangXiaoyong

ChinasmallwheeltractorassemblyplantinHenanprovinceYtoGroupCorporationLuoyang471003

Abstract:splineshaftfracturemayleadtofailure,itisnecessarytocleartherootfracture.Shouldanalyzethemicrostructureandchemicalcompositionforfractureafter,throughmicroscopicandmacroscopicexaminationofthewaytojudgethefailurecausesofthesplineshaft.Afterstatictensiletestshowsthatthesplineshaftfailureshouldbeatypeoffatiguefracturefromthemicroscopicobservationpointofview,thesplineshaftfractureafteritselfhaslowstrengthandhardness,internalwidmanstattenstructureexistsinthesection.Thus,thesplineshaftiflong-termatafatiguestate,thenitislikelytofailbecauseofthefracture.

Keywords:splineshaft;fracture;failure

引言：

相比于其他类型的钢材，碳合金钢本身具备优良的淬透性、强度与韧性。在淬火过程中，碳合金钢也会表现为较小的变形。因此从目前来看，碳合金钢可以用来制造齿轮连杆、轴承或者发动机气缸[1]。经过较长时期的运行，合金钢的构件很可能处于疲劳而逐渐损坏，其中典型就是花键轴部位的断裂。对于断裂后的花键轴有必要观察构件断面的微观以及宏观形态，综合运用硬度检测、金相组织检测或者静态拉伸的方式来判断构件断裂的根本原因，进而选择适当的防控措施。

一、断裂失效的试验

在本次试验中，选择了末端过渡区的花键轴断裂部位，这个区域位于一侧的螺杆位置上。经过初步判断，可知断口具有瞬断区与疲劳区的双重特征。对于断裂后的花键轴断口，应当进行全方位的观察，在此过程中既包括直观观察，又应当包括显微观察[2]。如果把花键轴的断口放在显微镜下放，即可观察得到花键轴内部的金相组织、化学成分以及其他要素。针对疲劳断裂的花键轴还应当予以静态拉伸测试，通过这种方式来判断花键轴发生断裂的根本原因。

具体在测试中，针对断口运用了扫描电镜进行观察。观察的结论为：花键齿的根基部位具有放射状的线条，这些线条构成了疲劳裂纹。在花键轴的根部，点源的擦伤性十分明显，疲劳扩展区的弧线也相对很清晰。对于金相组织，选择了金相试样并且放置于显微镜下侧，金相组织应当经过前期的处理。显微镜下的金相组织表现为如下的特征：金相组织表面分布着针状、块状以及其他形状的铁素体；同时，金相组织的核心部位以及表层部分都具有魏氏组织，尤其是核心部位具有较多的魏氏组织。

二、分析失效原因

经过观察零件的断口部位，可知断口位置的花键轴表现为很明显的疲劳特征。这是由于，观察相邻的两齿可以发现相对明显的疲劳区域，与之相应的疲劳弧线也是可以观察到的。从微观角度来看，疲劳状态下的花键轴内部具有条带特征，在花键齿的根基位置上可见鲜明的裂纹，键槽中的裂纹尤其明显。据此可以推断，花键轴失效的根源就在于疲劳断裂。

在淬火处理的基础上，碳合金钢就会体现良好的力学特征。如果把花键轴置于显微镜下，通常可以观察到铁素体的大量存在，魏氏组织的现象十分明显。观察断口可知，花键轴的断口处并没有经过深度加工，因此对于机械加工导致的断裂因素可以进行排除。进一步分析可知，花键轴本身具有较低的硬度，这种硬度甚至并不符合最基本的技术指标。与此同时，花键轴体现了较低的屈服强度以及抗拉强度。初期在进行设计时，设计人员并没有选择适当的设计值，这种现状很可能导致了过低的疲劳强度[3]。

此外，魏氏组织通常存在于钢材内部，这种组织与奥氏体大小、钢材冷却速度以及含碳量都具有内在的联系。受到冷却速度的影响，魏氏组织就会表现出特定的规律性。同时，如果奥氏体具有较大的晶粒体系，那么也会增加魏氏组织在合金钢中形成的可能性。花键轴断裂与魏氏组织具有不可分割的联系，受到魏氏组织影响的花键轴将会减小强度与硬度。

结语：

经过分析可知，花键轴断裂应当属于典型的疲劳断裂。在断口位置上，花键轴呈现疲劳弧线的形状，局部表现为条带状的基本特征。究其根源，是由于花键轴内部包括了铁素体的显微组织，这种组织通常表现为魏氏组织的特征。然而，魏氏组织本身并不具备较强的力学特征，这种组织很有可能降低材料的结合力，同时也显著降低了断裂韧度。由此可见，为了从根源上防控花键轴由于断裂而产生失效现象，应当密切关注构件的冷却速度、含碳量以及晶粒体积。通过综合运用多样的措施和手段，才能防止花键轴由于达到了疲劳限度而出现断裂。

参考文献：

[1]胡春燕,刘德林.花键轴断裂失效分析[J].材料工程,2012（05）:57-59+64.

[2]梁政,钟功祥,陈伟等.1400型压裂泵动力端花键轴断裂失效分析[J].机械,2015（03）:66-68.

[3]王彬男.某型支架搬运车后桥花键轴断裂失效有限元分析[J].农业装备与车辆工程,2011（08）:34-35+41.

[4]循环淬火细化对42CrMo钢组织及疲劳性能的影响[J].尹志新,于维成,姚戈,杨振国,李守新,马常祥,王毛球,惠卫军,董翰,翁宇庆.钢铁.2002(10)

[5]魏氏组织对齿轮强度的危害及其控制方法[J].唐川江,刘向东,胥勋文,王宏宇,周渝,潘剑波.汽车技术.2000(06)