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【130】双螺杆花键轴断裂失效分析报告v1

来源：花匠小妙招时间：2025-12-13 08:38

1、双螺杆花键轴断裂失效分析报告技术负责人：马小明华南理工大学二o五年五月目录双螺杆花键轴断裂失效分析报告11概况11.1基本情况11.2实验分析内容21.3 参考标准22断口宏观形貌分析32.1宏观形貌分析32.2试样制备63材料化学成分分析104力学性能检测124.1拉伸试验124.2冲击试验154.3硬度检验164.4扭转试验185断口的微观形貌分析215轴体断口样品的微观形貌分析215.2螺结表面断口微观形貌分析226金相组织分析246.1金相组织分析247结论及建议29双螺杆花键轴断裂失效分析报告1概况针对双螺杆花键轴断裂失效原因，华南理工大学机械与汽车工程学院过程装备故障诊断与失效分

2、析研究室组织专业人员在现场勘查的基础上，对门机减速器输出轴的断裂失效原因进行了系列实验与分析，形成如下实验分析报告，供参考。1.1基本情况失效构件样品为双螺杆花键轴，型号为tex77aii,螺杆直径为82.5mm,去螺结后轴体肓径为42.7mm,速度为120-1200rpm, l/d比为56,套筒数为16节，输入最大功率为83okw,齿轮箱输出比为1:1。据了解，损坏时速度为1135rpm,负载为60-70%o将完整的轴命名为1#轴，断裂的轴命名为2#轴。每根轴套有46个螺结。2#轴断裂处为2-16螺结与2-17螺结之间。双螺杆花键轴断裂失效试样如图1所示。(a)完整轴(b)断轴图1实

3、验样品全貌1.2实验分析内容(1) 宏观形貌分析(2) 化学成分分析；(3) 力学性能测试：拉伸、冲击、硬度、扭转等试验；(4) 微观断口形貌分析；(5) 金相组织分析；(6) 结论与建议。1.3参考标准1) gb/t2975-1998钢及钢产品：力学性能试验取样位置及试样制备2) gb 229-2007金属材料室温拉伸试验方法3) gb/t229-2007金屈材料夏比摆锤冲击试验方法4) gb/t12778-2008金属夏比冲击断口测定方法5) gb/t 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法6) gb/t10128-2007金屈材料室温扭转试验方法7) gb13298

4、-1991金属显微组织检验方法2断口宏观形貌分析2.1宏观形貌分析轴体的断口形貌如图2所示图2 2#轴宏观断口形貌宏观的断口观察发现：断口平整口断后无可见塑性变形，断口平面与主轴线垂直，具典型的脆性材料扭转断裂宏观特征。通过分析断面，在断面上找到多个源区，初步认为该轴断裂为多源脆性断裂。源区在图中圈岀。除了轴体断裂外，在两条轴的螺结上均找到破损处，如图3、图4所示。华南理工人学图3 1#轴螺结表面破损形貌2-12-32233、2-342-35 > 2-36图4 2#轴螺结表面破损形貌2.2试样制备根据标准要求与实际情况，在轴体与螺结上取拉伸、扭转、冲击、金相（显微硬度）、电镜、直读

5、光谱、cs分析试样，來进行相关试验。表1轴体切样数量规划样品类型数量硬度饼1个电镜2块拉伸8根扭转6根冲击6个金相6个cs钻丝1袋荧光光谱1个133_ 55“jo2q15扭转*8神击*6光宵硬度饼14,510金相中击光谱而螺结方面，从216螺结切取了非标冲击样与金相样，从211螺结切取了荧光光谱样。将图3、图4中所有原始断面（菲拆卸时破坏）制取电镜样。3材料化学成分分析将荧光光谱样与cs分析样进行化学成分分析，仪器为荧光光谱仪与高频红外碳硫分析仪（南京麒麟，ql-hw2000b）,检测结果见表2,表3。表2轴体化学成分检验结果wt%元素csimnpscrcuni结果080.6111040.

6、0210.0141.0210.0760.100元素tivwsnfemo结果0.00503250.03439ppm95.2770.693表3螺结化学成分检验结果wt%元素csimnpscrcuni结果1.420.420.330.070.02134.77000.17元素vwmo结果2.945.654.90根据轴体的化学成分，可知轴体的原材料接近20mncr5o 20mncr5为渗碳钢，强度、韧性均高，淬透性良好。热处理后所得到的性能优于20cro淬火变形小，低温韧性良好，切削加工性较好；但焊接性能低。一般在渗碳淬火或调质后使用。用于制造和重载大截面的调质零件及小截面的渗碳零件，还可用于制造中

7、等负载、冲击较小的中小零件，代替20crni使用，如齿轮、轴、主轴、变速装备的摩擦轮、蜗杆、调速器的套筒等。根据螺结的化学成分，可知轴体的原材料接近w6mo6cr4v2,®于鹄钳系高速工具钢。该钢的性能如下:（1）硬度在600°c左右的工作温度下，仍能保持较高的硬度。红硬性对热变形模具和高速切削刀具用钢是非常重要的性能。(2) 耐磨性具有良好的耐磨性，即抵抗磨损的能力。工具在承受相当大的压力和摩擦力的条件下, 仍能保持其形状和尺寸不变。(3) 强度和韧性具有一定的强度和韧性，使工具在工作中能够承受负荷、冲击、震动和弯曲等复杂的应力，以保证工具的正常使用。(4) 其他性

8、能具有一定的高温力学性能、热疲劳性、导热性和耐磨腐蚀性能等。4力学性能检测根据gb/t2975-1998钢及钢产屁力学性能试验取样位置及试样制备，在轴体与螺结上制备拉伸、扭转、冲击、硬度等力学性能试样，并分别按照标准试验方法进行相应的测试。4.1拉伸试验依据gb228-2002金属材料室温拉仲试验方法进行拉仲试验。试验使用仪器为微机控制电子万能试验机(waw-500c)。拉伸试验共规划测试4个试样，编号分别为1#、 2#、3#、4#,试验条件：室内温度26°c,相对湿度42%,拉伸试样及试验曲线见图5 5, 拉仲试验结果见表4o力位移95.47390.4.385. 47380.

9、4.375. 4.370.4i360.2335. 4i330. 4i325. 4i320.47365 4i315. 4i310.4i3-5. 4i3-j0. 4i3-0.72427244.72467248.72410.72412.72414.72416.724mm(a) 试样1力位移62.464kn37.464力位移i 89 32kn.12 00mm i6.93210 9824.98214.9821698297. 46492.46487.46482.46477. 46472. 46467. 464 57. 46452.46447. 46442. 46432.46427.46422.46417.

10、464 十12.464 -7.464 士2.4640 8092.8094.8096.8098.80910.8091280914.80916809mm(b) 试样298.253 -93.253-88.253-83.25378.25373.25368.25363.25358.25353.253 皿 48.2s343.25338.25333.25328.25323.25318.25313.2538.2533.253(c) 试样398.03力咆移58.0353.0343.0338.038.03|89 12kn12 00mm |93.0388.0383.0378.0373.0368.0363.0333.

11、0328.0323.0318. 0313.030.8142.8144.8146.8148.81410.81412.81414.81416.814mm(d) 试样4（e）试验前试样（f）试验后试样图5拉伸曲线（拉伸载荷-伸长量）表4拉伸试验结果试样编号1234平均值原始面积so/mm266.7167.3766.1266.2166.60实测标距/mm6565656565强度指标屈服力fc/kn81.2381.2381.5982.6581.68屈服强度re/mpa1217.741205.821233.911248.271226.43最大拉应力fm/kn86.7988.6089.3289.1288.4

12、6抗拉强度rm/mpa1301.091315.221350.811345.991328.28八示断后标距lu/mm72.0271.8371.8571.8571.95断后截面积su/mm236.9836.9540.2137.8738.00断后收缩率z/%4545394343断后伸长率a/%11111111114.2冲击试验依据gb/t229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法的要求，沿实心轴轴向方向制取试样并采用v型缺口，轴体制取的冲击样尺寸为10x10x55mm,螺结制取的冲击样尺寸为10x5x55mm；试样缺口的检验利用冲击试样缺口投影仪（cst-50）进行；冲击试验使用仪器为微机屏

13、显冲击试验机（型号jbw-300b）；按照gb/t12778-2008金属夏比冲击断口测定方法判断试样的冲击断口。木冲击试验共测试7个试样，其中1#4#为轴体冲击样，5#-7#为螺结冲击样。冲击试验结果见表7。表5冲击试验结果样品编号缺口宽度mm缺口高度mm缺口面积mm2冲击功ak j冲击韧性j/cm2试验值均值17.929.8878.2560.6177.4689.8727.909.9478.5362.3579.4037.949.9178.6985.83109.0847.949.9078.6173.5193.5257.934.9239.021.674.284.4367.914.9138.8

14、41.6743077.914.8938.681.824.71通过结果可以轴体的冲击韧性值较高，韧性较好。而螺结的冲击韧性非常低，属于典型的脆性材料。4.3硬度检验根据gb/t 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法的要求，使用mvc-1000d1型显微硬度计对试样进行显微硬度测试。在轴体横截面上进行试验，按 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315° 取八条线，每条线上从圆心起，每隔4cm取一个点，每条线六个点，一共48个点。在螺结的金相样上进行硬度测试，在

15、水平方向取5个点。试样及试验过程如图6所示，试骑结果如表6、表7、图7所示：(a)轴体试样取点图(b)轴体硬度试验过程华南理工人学（c）螺结试样（b）螺结硬度试验过程图6硬度检测过程表6螺结样品硬度试验结果（hv）0°45°90°135°180°225°270°315°1416.2417.8404.0425.7425.7420.9430.6427.32419.3433.9414.6444.0433.9432.2438.9433.93427.3429.0438.9447.5449.2442.3440.6442.344

16、44.0449.2451.0449.2451.0463.5447.5451.05465.4469.1472.8478.5469.1478.5454.5452.76474.7471.0488.3474.7480.5478.5469.1459.9 480-5005004804604404204003800° /90° /180° /270° 硬度值 460-480 440-460 420-440 400-420 380-400(a) 0° /90° /180° /270° 硬度值45° /135°

17、/225° /315° 硬度值480460440420400380气6(b) 45° /135° /225° /315° 硬度值 460-480 440-460 420-440 400-420 380-400图7轴体样品硬度分布图从上述结果可以发现，轴体的硕度在400hv到480hv之间，且从圆心到边缘，硬度值明显增加。表7螺结样品硬度试验结果(hv)12345平均值硬度值(hv)456.3463.5463.5451.0459.9458.8从上述结果可以发现，螺结的硬度为458.8hv左右。说明该材料较硬，这也是螺结材料脆性较强的另

18、一个例证。4.4扭转试验依据gb/t10128-2007金属材料室温扭转试验方法，从门机减速器输出轴上制取扭转试样，试验使用仪器为微机控制nd-1000型电子式扭转试验机。本扭转试验共测试 4个试样，编号为1#、2#、3#、4#,扭转过程及扭转曲线见图8、图9,扭转试验结果见表9。(a)试验过程1附2# s# 4井(b)试验前试样(c)试验后试样图8扭转试验过程及扭转试样表13扭转试样性能编号直径屈服扭矩最大扭矩抗扭屈服强度抗扭强度mmnmnmmpampa1#4.9626.5332.33830.891012.542#4.9726.8532.05835.85997.723#4.8619

19、.6324.55653.53817.324#4.9620.3327.26636.71853.75平均值4.9423.3429.05739.24920.34轴类构件在纯扭转时，试件表面最大剪应力、正应力绝对值相等，夹角为45。，利用扭转试验结果可以区分材料的断裂方式。如果材料的抗扭强度低于抗拉强度，破坏形式为剪断，断口应与其轴线垂直。反之，若破坏形式则为拉应力，破坏面与轴线呈45。方向。根据所测结果，抗扭强度低于抗拉强度，因此从实验方面验证了材料的断裂方式为剪断，断口与其轴线垂直的形貌特征。5断口的微观形貌分析5.1轴体断口样品的微观形貌分析将轴体断口用丙酮清洗后，置于扫描电子显微镜(h

20、itachi, s3700)下，观察断口微观形貌。如图9所示：(a)断裂源区1(b)断裂源区2(c)解理台阶1(d)解理台阶2图9轴体断口表面微观形貌从图9中可以看出，轴体断口表面微观形貌中存在大量解理台阶、河流花样，这些均为脆性断裂的典型特征。因此可以判断轴体断裂为脆性断裂。5.2螺结表面断口微观形貌分析将螺结表面断口用丙酮清洗后，置于扫描电子显微镜(hitachi, s3700)下，观察断口形貌，并对表面做能谱分析。如图10所示：华南理工人学(c)£300 pmse mag: 100 x20.0 kv wd: 10.0 mmel an seriesnnn. -c wt.%no

21、rm. c -atom.c-wt.%-at.%fe26k-series72.20-69.3051.23c-6k-series8.548.2028.17w-74l-series6225971.34 -mo42l-series5.49-5.272.27 08 k-series4 >664.48- -11.55-cr24k-series3.833.682.92 -v23k-series3.243.112.52total:104.20-100.00-100.00 .spco date:2015-5-9 14:11:13 hv:20.0kv pl(e)能谱分析范围(f)能谱分析结果图10螺结断面形

22、貌及能谱分析从图10中可以看出螺结断面平滑、规整，有解理形貌，为典型的脆性断裂。对断面表面进行能谱分析，发现c含量远高于螺结化学成分中所测材料中c含量,通过分析，断面上的c,应该为原料渗入裂缝中后，长时间存在所形成的碳化物。6金相组织分析6.1金相组织分析根据gb13298-1991金属显微组织检验方法对试样进行金相检验分析。试样分为三部分：轴体内部、轴体边缘、螺结。所制备的金相试样经研磨、抛光、3.5%的硝酸酒精浸蚀后，采用dfc450型金相显微镜进行显微组织观察，分析结果如下：图11轴体内部金相图图12轴体边缘金相图从图12、图12总可以看出，轴体金相主要为呈板条状分布的低碳马氏体，又称板条马氏体。板条马氏体具有良好的强度和较好的塑性和韧性。从力学性能测试屮拉伸、扭转、冲击的结果中可以得出轴体的强度与韧性均表现良好。但是在轴体边缘的金相图中，可以看到有少量针状马氏体的出现。针状马氏体硬度高、脆性大。而通过轴体的硬度测试可以得知，轴体边缘的硬度大于轴体心部的硬度，因此可以认为这个结果是轴体金相组织分布的结果。之所以轴体边缘出现了针状马氏体，可能