分享：联轴器传动轴断裂原因

联轴器是常见的机械部件,其用于联接不同运动机构中的主动轴和从动轴,使轴系共同旋转,同时传递扭矩。联轴器的结构形式多样,并具有缓冲、减震、提高轴系动态性能等功能,广泛应用于高转速小扭矩、低速重载等动力传递系统。联轴器按方向通常分为主动轴侧和从动轴侧联轴结构。一般而言,联轴器由弹性体、刚性轴、转接体等组成。其中,弹性体多由橡胶或金属膜片制成；两端转接体选用法兰、花键等机械结构；中间刚性轴则分为实心钢轴、万向（节）轴、伸缩花键轴等结构。 

某大型液压传动机构中联轴器的整体实心钢轴发生断裂现象。该传动轴的材料为45钢,传动轴一端连接弹性体的法兰盘,另一端为安装传动平键和法兰零件的小直径轴（带键槽）,断裂位置为距离最大直径与法兰盘过渡的圆弧约10 mm处。笔者采用一系列理化检验方法分析了该传动轴断裂的原因,以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

断裂传动轴的宏观形貌如图1所示。由图1可知：断裂部位距离法兰与最大直径135 mm轴过渡R圆角部位约10 mm,断口两侧未发现塑性变形；沿心部的中心定位孔至边缘80%的区域内较粗糙,边缘部位断口平坦,法兰侧整个断口表面有黄褐色的锈蚀；轴一侧断口特征清晰、完整,表面无锈蚀,断口心部可见椭圆状和长条状银色斑点。 

图  1  断裂传动轴的宏观形貌

1.2   化学成分分析

在断裂传动轴上取样,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：断裂传动轴的化学成分符合GB/T 699—2005 《优质碳素结构钢》对45钢的要求。 

1.3   力学性能测试

在断裂传动轴上取样,对试样进行力学性能测试,结果如表2所示。由表2可知：断裂传动轴的力学性能不符合GB/T 699—2005的要求。 

1.4   扫描电镜(SEM)分析

在传动轴断口处取样,对试样进行SEM分析,结果如图2所示。由图2可知：整个断口呈河流花样；断口心部粗糙区域主要呈沿晶+少量准解理特征；裂纹扩展区存在较多的二次裂纹,沿中心至边缘区域进行观察,边缘区域形貌与心部形貌基本一致；整个断口以沿晶+准解理特征形貌为主,整个断口呈氢脆断口特征[1]。 

图  2  传动轴断口SEM形貌

1.5   金相检验

在断口心部及边缘处取样,对试样进行金相检验,结果如图3所示。由图3可知：试样心部和边缘区域均存在较多的非金属夹杂物,夹杂物为硫化物,夹杂物附近可观察到显微裂纹。 

图  3  断口心部及边缘处微观形貌

断口心部及边缘处的显微组织形貌如图4所示。由图4可知：试样心部组织为贝氏体,边缘区域组织为贝氏体+回火索氏体。心部与边缘晶粒度一致,按照GB/T 6394—2017 《金属平均晶粒度的测定》评为8.0级；未发现心部存在过热、过烧等异常组织,在心部区域存在较多的小裂纹（见图5）。 

图  4  断口心部及边缘处的显微组织形貌

图  5  断口心部及边缘处晶粒的微观形貌

1.6   热酸蚀试验

在直径为135 mm的轴一侧断口附近取横截面试样,对试样进行热酸蚀试验,结果显示试样心部区域存在较多的锯齿状小裂纹,小裂纹宏观呈同心圆分布形貌（见图6）。 

图  6  断口处的低倍组织形貌

2.   综合分析

该断裂联轴器传动轴的化学成分符合标准要求,力学性能不符合标准要求,尤其是断后伸长率远低于标准要求。断口粗糙区域存在椭圆状和长条状斑点,断口呈沿晶+准解理特征,扩展区分布有较多的二次裂纹,与热酸蚀试验后观察到的呈同心圆分布的锯齿状小裂纹相吻合,且未发现过热、过烧组织。断裂传动轴中氢元素的质量分数为0.002 1%。综合上述分析,联轴器传动轴心部锯齿状小裂纹为白点缺陷,联轴器传动轴的断裂原因为白点缺陷导致的延迟开裂。由于力学性能试样取样位置为半径1/2处,处于45钢材料的未完全淬透区域,且材料中存在白点缺陷,导致材料的力学性能不符合标准要求。 

白点缺陷的产生原因为：在冶炼过程中,钢液及辅料中的水分在高温作用下分解出氢元素,当钢液的脱氢处理不充分时,浇铸成型后溶解在钢中的氢以原子形式溶解于钢材中,或以分子形式在钢材缺陷部位聚集,缓慢富集到一定程度,会造成局部应力集中,当应力超过钢的抗拉强度时,在钢中形成细微裂纹,这些裂纹常以微小裂纹群的形式出现,在低倍断口上呈现圆形或椭圆形银白色斑点。通常情况下,服役前的氢聚集多称为白点缺陷,氢致开裂（包含白点）具有延迟性和隐蔽性[2-3],白点缺陷可能导致钢件在后续热处理或使用过程中突然断裂,造成安全事故。因此,不允许锻钢件中存在白点缺陷,且现有的无损检测方法不能直接给出表征缺陷性质的判定信息,可能导致漏检白点缺陷。通常钢的氢致开裂需要满足3个条件[4],即一定浓度的氢、一定的拉应力和敏感性显微组织。其中,马氏体伴随有较大的相变应力,对氢脆最为敏感,其次为贝氏体、屈氏体,而索氏体或者铁素体＋珠光体对氢脆敏感性最小。氢脆一经产生,就不能消除。因此,必须在尚未产生微裂纹的情况下,通过长时间脱氢处理来降低钢中的氢浓度。 

联轴器传动轴中存在较多的非金属夹杂物,非金属夹杂物的类型为硫化物,硫化物的附近可观察到显微裂纹,较多的硫化物使材料形成氢陷阱,氢陷阱是指材料中气孔、偏析、各种晶体缺陷(如空位、位错、晶界和相界等)、第二相(包括夹杂)、各种溶质元素等周围存在的应变场,该应变场与氢的应变场相互作用,把氢吸引在缺陷或第二相周围,这种捕获氢的缺陷或第二相就称为氢陷阱[5-6]。当氢含量较高时,氢陷阱处聚集了氢,导致材料产生氢致裂纹。 

3.   结论

联轴器传动轴断裂形式为氢致断裂,断裂原因为原材料在生产过程中脱氢不充分,且材料内部存在较多的非金属夹杂物,氢原子在非金属夹杂物附近聚集形成氢陷阱,在组织和内应力的共同作用下,形成以微裂纹群形式存在的白点缺陷,裂纹在白点缺陷部位萌生并扩展,最终导致传动轴断裂。 

文章来源——材料与测试网