扶梯轴承断裂失效分析

某电梯扶手驱动轴在运行中断裂，断裂位置为轴与齿轮配合处，对断裂进行断裂失效原因分析。

断裂轴的宏观形貌检查，断裂位置为轴与齿轮配合处，见图11-113所示。

断裂面的断口宏观检查，可见断口表面已有锈蚀痕迹，断面外圈较平整、光滑，左上方有一粗糙区域，表面呈金属本色，粗糙区域外侧有明显的海滩花样，见图11-114所示。

   图11-113断裂轴宏观形貌                  图11-114 裂处断口宏观形貌

对断口检查，可见整个断面基本平整，与轴向垂直，附近无明显塑性变形痕迹，断面宏观形貌如图11-115所示。为便于进一步观察，将断面分为A、B、C、D、E、F、G、H八个区域进行描述

             图11-115  断面宏观形貌

（1）断面A区、B区、C区微观形貌

断面A区、B区、C区微观形貌，见图11-116、图11-117、图11-118所示，可见断口表面有明显的磨损挤压痕迹。

图11-116 断面A区微观形貌            图11-117  断面B区微观形貌

、

图11-118   断面C区微观形貌

（2）断面D、E、F区微观形貌

断面D、E、F区微观形貌，见图11-119、图11-120、图11-121所示，可见明显的疲劳条带，根据不同区域的疲劳条带方向可知，疲劳裂纹是由断面边缘的台阶向断面左上方的粗糙区域扩展的。

图11-115中红色箭头所示即为不同疲劳裂纹的扩展方向。

图11-119   断面D区的疲劳条带           图11-120 断面E区的疲劳条带

图11-121  断面F区的疲劳条带

（3）断面G区微观形貌

断面G区微观形貌，见图11-122所示，可见明显的准解理断裂形貌。

图11-122  断面G区的准解理断裂形貌

（4）断面H区微观形貌

断面H区微观形貌，见图11-123所示，可见明显的剪切韧窝，为终断区。

图11-123断面H区微观形貌

断口附近横截面进行低倍检查：

根据“GB/T 1979-2001结构钢低倍组织缺陷评级图”规定，评定为中心疏松2级，无明显异常，见图11-124所示。

图11-124 断口附近横截面宏观金相

对失效件的心部进行金相组织检查：

金相组织为索氏体+屈氏体+网状、块状铁素体，说明心部未完全淬透，如图11-125所示。

断口相邻圆角处的金相组织检查，可见圆角半径约0.2mm，见图11-126所示。

图11-125 心部金相组织           图11-126断口相邻圆角处金相组织

对失效件进行硬度试验，硬度技术要求为210～250HB；硬度试验结果：235HB、231HB、223 HB，符合技术要求范围。

采用直读光谱法对失效件进行化学成分分析，结果符合“GB/T 699-1999 优质碳素结构钢”标准的45钢技术要求。

驱动轴断裂轴处的设计图纸，见图11-127 a，断裂位于图中红色箭头所指处，该处为两段轴过渡的台阶;右侧为台阶处的放大图像，见图11-127 b，该处设计成半径为0.5mm的圆角过渡。

根据图纸要求，该轴热处理方式为整体调质，硬度HB210-250。

           a  驱动轴断裂轴处的设计图纸            b  箭头处放大

图11-127（a、b） 失效件断裂处的设计图纸

驱动轴断裂处的心部金相组织为索氏体+屈氏体+网状和块状铁素体，反映出调质过程中心部未完全淬透，说明驱动轴的热处理有一定问题。

断裂轴心部硬度值为HB 235、231、223，符合产品（HB210～250）的技术要求；化学成分检测显示材质为45#钢，也符合技术要求。但断裂轴的组织不是调质组织，说明驱动轴的硬度值技术要求过低。

断口形貌显示，断面存在明显的疲劳条带，呈典型疲劳断裂特征；疲劳源位于断口边缘台阶处，疲劳裂纹由边缘向心部扩展，符合交变扭转应力作用下的疲劳断裂特征。疲劳源呈线源特征，线源疲劳是应力集中引起疲劳失效的重要特征。疲劳裂纹扩展区面积约占整个断面面积的三分之二，终断区所占面积较小。

疲劳源区位于两段轴过渡的台阶位置，该处为典型的应力集中区域，根据“GB/T 6403.4-2008 零件倒圆与倒角”中附录B的有关规定，直径φ70的轴类零件其倒圆的推荐值为2.0mm。然而，根据图纸，断裂处圆角设计值仅为0.5mm，且实际加工尺寸仅为0.2mm左右，远未满足机械设计的要求，可能加工时没有进行R加工，使倒角处存在严重的应力集中。

综上所述，该驱动轴设计要求的硬度值过低；台阶位置的倒角过小；在加工过程中还存在热处理工艺不当，调质组织不是索氏体，还有屈氏体、网状和块状铁素体；两段轴过渡的台阶圆角实际加工尺寸太小，仅为0.2mm左右，使轴在交变载荷作用下首先在应力集中的圆角处形成疲劳源。虽然驱动轴承受的应力较小，但是驱动轴的金相组织不合格，硬度值过低，强度也低，使驱动轴不能承受较大应力。在应力集中处当疲劳裂纹产生后，在交变应力作用下，疲劳裂纹在构件服役过程中不断扩展，导致驱动轴最终疲劳断裂。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

（1） 驱动轴的断裂性质是在交变扭转应力作用下的高周疲劳断裂。

（2） 驱动轴出现疲劳断裂的原因是台阶位置的倒角过小，造成圆角处应力集中，应力集中处产生疲劳裂纹，在交变应力作用下疲劳裂纹不断扩展，导致驱动轴疲劳断裂。

（3） 疲劳断裂与台阶位置的倒角设计过小，与加工时没有进行R尺寸的检查有关；还与设计要求的硬度值过低，组织不合格有关。

（4） 提高驱动轴的硬度值要求，增加热处理后的组织检查。

（5） 适当增大轴肩过渡处的圆角半径，加工后增加圆角半径检查。

（6） 热处理后表面处理前采用喷砂强化工艺，增加构件的抗疲劳能力。