1、中国冶金装备网中国冶金人的网轧机万向接轴叉头断裂失效分析陈红辉 1，樊建成 1，薛勇强 2，俞建敏 2摘 要：某轧机万向接轴叉头断裂后，造成停机时间较长，直接影响正常生产。为减少或者避免今后重复故障的发生，针对断裂的叉头进行失效分析。本文主要从材料成分、力学性能、断口显微组织等方面开展失效分析。关键字：叉头 断口 失效分析Failure analysis on the forks fracture of universal spindle forked joint of typical rolling mill Chen hong-hui1, Fan jian-cheng1， Xue yong
2、-qiang2， Yu Jian-min2 (The Equipment Department 1/Steel Pipe and Bar Business Unit 2 ，Baoshan Iron & Steel Co. ,Ltd，Shanghai 201900)Abstract: After the universal spindle forked joint of typical rolling mill ruptured, it would cause down-time longer and effect normal production. For the sake of reduc
3、ing and avoiding repetitions troubles, it is necessary to carry out failure analysis. This text will carry out failure analysis from material composition, mechanical properties, microstructure, etc.Key Words: fork；fracture； fracture failure analysis1、概述冶金企业轧机用万向接轴均要求传递扭矩大，允许倾角大，最大回旋直径控制并且抗冲击。万向接轴经受扭
4、转、弯曲、拉压交变载荷以及重载接触交变载荷和磨损的共同作用。本文所阐述的万向接轴应用于大开口度二辊可逆式轧机，轧机最大轧制力约 3.0107N，万向接轴传递最大扭矩约 1.39107N.m，最大倾角约 6.8 度。万向接轴是在动态点检中发现轧辊侧叉头断裂，于是生产组织实施单机轧制。经调查，该万向接轴经修复后在线使用时间较短。为有利于下一步设备状态的把握，减少或者避免重复故障的发生，有必要明确叉头断裂原因。2、宏观断口分析从叉头断口宏观检查，断口形貌如图 1 所示，为典型的瞬断断口形貌，断口无明显疲劳扩展条纹，断面与轴线 45 夹角，呈低周高应力状态下发生脆断。裂纹源位于叉头根部圆角（堆焊层）应
5、力集中部位，呈放射状扩展，同时可以发现沟槽内有明显的裂纹。可以初步判断，叉头断裂与堆焊有关。图 2 为断裂源区宏观裂纹。图 1 叉头断口形貌 图 2 断裂源区宏观形貌3、材料成分分析万向接轴叉头设计材质34CrNi3Mo锻造，采用合理热处理工艺能够获得良好的综合性能。中国冶金装备网中国冶金人的网该材料的裂纹敏感性较高，可焊性较差，而发生断裂的叉头是经过堆焊修复的。该材料的化学成分要求：C-0.30.36%、Mn-0.50.8%、Si-0.30.6%、Cr-0.91.2%、Ni-1.51.8%、Mo-0.350.5%、P0.015%、S0.007%。根据断裂的叉头化学成分检验结果，基本正常。因此
6、，断裂与叉头母体材料的成分没有必然联系。4、力学性能测试分析万向接轴磨损（承载）表面堆焊修复后，在生产线上使用时发生断裂。对断裂的万向接轴叉头磨损表面进行力学性能测试分析。根据叉头承载表面下不同深度取样后进行拉伸试验，试样分别编号为 1#、2#、.、7#，表 1 给出单轴拉伸力学性能测试结果。同时，拉伸试验得出的应力-应变曲线显示 3#试样达到一定拉力后瞬间断裂。表 1 不同深度试样拉伸力学性能测试结果试样深度(mm) 编号 试样厚度 a/mm 试样宽度 b/mm 截面积 S0/mm2标距Le/mm0.1%屈服Rp0.1/Mpa0.2%屈服Rp0.2/Mpa抗拉强度Rm/MPa1-3/2-4
7、1# 1.76 3.73 6.565 10.0 784.82 817.00 848.973-5/4-6 2# 1.76 3.74 6.582 10.0 819.80 839.15 852.715-7/6-8 3# 1.77 3.74 6.620 10.0 917.73 933.56 934.207-9/8-10 4# 1.76 3.7 6.512 10.0 646.96 667.49 831.669-11/10-12 5# 1.77 3.72 6.584 10.0 988.77 1008.00 1085.6811-13/12-14 6# 1.75 3.71 6.492 10.0 951.13
8、957.66 1006.7013-15/14-16 7# 1.77 3.73 6.602 10.0 662.25 683.48 830.03编号 断裂强度RB(N/mm2) 最大力总伸长 率 Agt(%) 最大力非比例 伸长率 Ag(%) 断裂总伸长率 At(%) 断后伸长率 A(%)1# 375.90 2.84 2.38 14.72 14.522# 325.03 1.57 1.11 12.90 12.723# 379.36 0.61 0.19 0.52 0.344# 381.28 6.70 6.22 7.84 7.625# - 5.94 5.35 - -6# 484.95 3.12 2.57
9、 10.29 10.037# - 8.04 7.56 - -图 3、图 4、图 5 分别给出表面下不同深度处拉伸试样的相对伸长、非比例延伸率 0.2时的应力 Rp0.2 和拉伸断裂强度 Rm 随试样在表面下深度的变化。横坐标是相应试样的编号，没有准确的表面下深度尺寸是因为叉头磨损表面不平整，没有确定的定位基准。1234560246810121416Relativ extnio (% )Scalr ofdistenc from wrn surface123456702040608010.% Prof stre (N/m2 )Scalr ofdistance from wrn surface图 3
10、 相对伸长度曲线 图 4 0.2%屈服强度曲线距磨损表面(mm)延伸率（%）距磨损表面(mm)0.2%屈服强度（N/mm2）中国冶金装备网中国冶金人的网12345670120340560780910120Tensil failure strngth b( N/m2 )Scalr ofdistance from wrn surfaceTensil failure strngth b12345602040608010120Impact oughnes AkV (J)Scalr ofdistance from wrn surface图 5 拉伸断裂强度图 图 6 V 形缺口冲击试样从表 1 和图 3
11、 看出，3#试样即磨损表面下深 57mm 或 68mm 处材料的拉伸试验延伸率很低，其断后延伸率仅为 0.34，抗拉强度并不是很高（934.2Mpa） ，比其 Rp0.2(933.56Mpa)仅高出 0.7Mpa。在近磨损表面（05mm 内）堆焊金属的相对伸长可高达 14。4#试样的 79mm或 810 mm 处，相对伸长为 7.62，比 3#高但仍比 1#2#，5#6#等试样低。5#6#7#试样相对伸长都不低，且 5#和 6#试样有较高的屈服强度，Rp0.2 分别达到 1008Mpa 和 957.66Mpa，抗拉强度也都达到较高的 1085.68Mpa 和 1006.7Mpa。表 2 表面不
12、同深度处试样的冲击韧性(冲击功)a k(J)试样编号 1# 2# 3# 4# 5# 6#冲击功（J） 77 112 28 44 110 97表 2 是磨损表面下不同深度处试样的冲击韧性测试结果。图 6 是材料的冲击韧性随其在表面深度的变化。可以看出，3#冲击试样其截面有较低的冲击功，较其它区域的冲击功低。因此，塑韧性较差，与拉伸试验有最低相对伸长的位置相符。从磨损表面下不同尝试处金属的拉伸性能和冲击韧性测试结果看出，在表面下深 58mm 材料的塑性很低，冲击功较低，存在有一脆化区。5、显微硬度测试分析取磨损表面下试样用Shimadju HMV microhardness Tester 进行硬度
13、测试，得到多组数据和硬度分布曲线图，如图7、图8是所示。表面下58mm的区域有较高的显微硬度。123456789100125017520520753025307540HVDistance from wrn surface (m)B0246810125107520520753025307540HV.Distance from wrn surface (m)B图 7 磨损表面下显微硬度分布 （1） 图 8 磨损表面下显微硬度分布（2）距磨损表面(mm) 距磨损表面(mm)抗拉强度（N/mm2）冲击功（J）距磨损表面(mm)硬度值（HV）距磨损表面(mm)硬度值（HV）中国冶金装备网中国冶金人的网6
14、、断口显微组织分析用场发射扫描电子显微镜对冲击韧性测试试样断口观察，看到有较低冲击韧性（冲击功）的 3#试样断口有准解理断裂特征，图 9、图 10 所示，这种断裂形貌是典型的低合金结构钢中出现的准解理断裂形貌，图中可清楚地看到解理台阶，撕裂棱，微剪切面以及微坑。而其余试样断口均有韧窝形貌特征。注意到准解理裂纹扩展的路径不很长，仅在相应的原始奥氏体晶粒内，清楚地看到“心部”点状裂纹源，以及向四周放射（扩展）的河川，向晶界扩展，其裂纹源是显微组织中的“点缺陷” ，如碳化物夹杂等。我们看到金相显微组织中确实存在有很多颗粒状细小的硬质相，还有一些尺度很小的夹杂（尺度在 5m20m） ，这些可组成为裂纹
15、源。图 9 3#试样电镜断口形貌 （1） 图 10 3#试样电镜断口形貌（2）通过磨损表面下不同深度处的金相显微组织观察，工件是经过多层堆焊，且直到磨损表面下近 10mm 处仍可看到有未经热形变加工的组织特征，而原万向接轴叉头是经热机械加工（锻造压力加工）制造的。在磨损表面下 15mm 区，拉伸试样有较高的延伸率，且有较高的冲击韧性，但是表面堆焊金属组织（如图 11）也有明显的未经热机械加工特征。其组织由残余奥氏体、少量马氏体以及个别碳化物粒子等组成，晶粒很不均匀。注意到这一区域的试样拉伸强度也不是很高，低于较深部位的 5#6#试样的强度。在磨损表面下 89mm 以上的深度部位如#号 6#冲击
16、试样，有较高的冲击功，相应的拉伸的伸长率远高于 3#试样，略低于 1#2#试样。且注意到 5#6#试样的 Rp0.2 和 Rm 都较高。金相分析结果表明该区域通常低合金高强钢的回火组织特征（但还能看到个别的一次组织） ，组织较细（如图 12） ，具有较高的强度和韧性。从金相组织和性能测试结果表明磨损表面下深度在89mm 以上的区域相应于最后堆焊层，受到部分正火和回火加热作用的区域。图 11 表面-2mm 区域显微组织(1000) 图 12 表面-8mm 区域显微组织（1000） 7、结束语（1）经堆焊修复的万向接轴叉头磨损表面下 58mm 处存在有低塑性区，单轴拉伸强度与其它深度处材料的强度相
17、近，而相对伸长仅 0.34。该区域在承受静载或低速加载时至断裂所消耗的功很低，易产生裂纹。（2）冲击韧性测试结果表明在上述相应的区域有低的冲击功，其断口 SEM 分析表明为准解理裂纹断口形貌，表明是脆性区，是焊接工艺规范和焊接材料选择首要关注的问题。（3）在磨损表面下 8mm 以上深度的部位有较好的回火组织，有较好的综合机械性能，高中国冶金装备网中国冶金人的网强度高韧性，但是热影响区随堆焊厚度、堆焊层数、堆焊前表面加工的不同可能有所不同。（4）轧机万向接轴叉头在使用过程中的润滑保养、滑块的维修也很重要。参考文献：1郑修麟等材料的力学性能 .西安:西北工业大学出版社，1999 年2任颂赞、张静江等钢铁晶相图谱.上海:上海科学技术文献出版社，2003 年3邹家祥轧钢机械 （第 3 版）.北京：冶金工业出版社，2005 年（文章来源：中国冶金装备网 ）
