第8章 实际构件失效分析实例.ppt

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1、第8章实际构件失效分析实例8.1M5-36-11No.20.5风机轴断裂分析某厂M5-36-11N0.20.5D风机在使用接近7年后，于1999年8月中旬发现风机轴偏斜，轴径表面与风机罩发生摩擦。将该轴取下后发现在叶轮端支撑轴承面台阶处发生开裂，表面裂纹宽度接近2mm，叶轮附近的轴表面磨损深度达5mm。于1999年10月26日将该轴断开，确定对该轴的断裂原因进行分析。8.1.1概况M5-36-11No.20.5风机原设计的部分参数：设计功率：710kW，电动机转速：1480r/min，飞轮力矩：36.3N·m，叶轮质量：788kg；主轴质量：285kg，

2、主轴材料：45钢，轴长度：1889.9mm；中心距：816.9mm，叶轮力臂长度：575.9ram，临界转速：2221r/min；转速系数：1.5。风机主轴结构与尺寸，如图8-1所示。风机轴受力分析与计算如图8-2所示。经力学计算校核的部分数据：危险截面应力：16.64MPa；强度系数：3.3。在设备安装时，经设计、使用、制造单位同意，将原设计的19D改为20.5D，经计算：叶轮重量=8470N；危险截面计算扭矩Mn=4581N·m；危险截面应力σmax=17.25MPa。45钢许用应力[σn]=55MPa，σmax<[σn]。同时，根据行业标准，主轴临

3、界转速系数应不小于1.3，该风机主轴的临界转速系数为2.14，符合要求。轴的断裂位置如图8-1所示。由图8-2的受力分析可知，其断裂面发生在轴的应力最大面上的台阶过渡处，即使用中的危险截面。检查发现该轴台阶处过渡圆角半径为R5，但圆弧加工不光滑，在圆弧连接处存在较明显的“切根”现象，在此处可产生较大的应力集中。另外，现场检测人员发现在使用中，该轴的振动较其他风机严重。其他风机的水平振动和垂直振动均为20μm左右；该轴的水平振动为50~60μm，垂直振动为40~50μm，均比其他四台风机振动大约30μm。标准规定该类风机的振动要求（标准参数由使用厂提供）为

4、：20μm以下为优，40μm以下为良，超过80μm为不合格。显见，该风机使用中的振动情况虽然在规定的合格范围以内，但已超出“良”的要求。8.1.2断裂过程分析风机轴断口的宏观形态如图8-3所示，断口显示该轴的断裂为疲劳断裂性质。疲劳裂纹首先由轴近表面的三处缺陷处起源，然后在较低的旋转弯曲交变应力作用下，裂纹慢速扩展。裂纹扩展至轴半径的1/2处后，扩展加速，在断口上可观察到清晰的疲劳弧线，疲劳弧线的圆心指向最后断裂区。在断口上宏观可见三处明显缺陷A、B、C，缺陷A根部有明显裂纹起源时形成的台阶。A、B两处缺陷形成的裂纹基本在一个平面上扩展，很快汇合形成一个

5、的裂纹；C处的裂纹扩展缓慢，最后断裂时与A、B裂纹形成一个不大的撕裂台阶。由此可知，裂纹均从缺陷的根部形成并扩展。b）a）图8-4断口缺陷处裂纹形貌（3×）a）A处b）B处图8-5缺陷根部裂纹微观形态（150×图8-6裂纹快速扩展区解理（250×从宏观断口分析可知，裂纹起源于轴的缺陷处，因此，轴上的缺陷对裂纹的形成有决性的作用。为了进一步分析缺陷的作用及缺陷处裂纹的形成过程和裂纹形态，在图8-4中示出宏观断口上严重缺陷处的放大形貌。由此可知，裂纹均从缺陷的根部形成并扩展。在裂纹起始区和扩展区取样，在扫描电子显微镜下分析断口的微观形态，如图8-5、图8-6

6、所示。在裂纹起始区（缺陷根部）可见大量的微观台阶，这些台阶是在局部较大应力集中作用下疲劳裂纹起始时形成的。在裂纹扩展区为典型的解理断裂，可见珠光体解理形貌，这是在调质组织中常见的疲劳裂纹扩展区形态。在交变载荷作用下，金属疲劳裂纹的形成一般经过三个阶段。疲劳源形成阶段、裂纹疲劳扩展阶段和失稳扩展（快速断裂）阶段。疲劳源的形成和形成阶段所需载荷交变循环次数对疲劳断裂有很大影响。在光滑零件表面，当交变载荷低于材料的疲劳极限时，疲劳裂纹源难以形成，即不可能发生名义上的疲劳断裂。但当零件表面存在缺陷时，裂纹源即在缺陷导致的应力集中作用下形成。当缺陷达到一定尺度，尤

7、其是片状缺陷，则缺陷为疲劳断裂过程提供了现成的疲劳源。疲劳断裂不需经过裂纹的萌生期，而直接在缺陷根部扩展，这将极大地缩短零件的疲劳寿命。由于缺陷根部存在较大的应力集中，在其根部可见大量细小疲劳裂纹台阶，而这每一个台阶间即对应一个疲劳裂纹源，疲劳裂纹源的数目可表示为n+1个（n为对应的疲劳台阶数目）。应力集中程度越大，则形成的疲劳台阶数目越多，疲劳裂纹源就越多。分析图8-4的缺陷根部疲劳台阶的数目和形态，可大致确定裂纹首先在A处起裂，而B处和C处的开裂略晚。由以上分析可以确定，此次断轴的断裂性质为疲劳断裂。疲劳裂纹在断轴危险截面的三处主要缺陷处起裂，然后作

8、低应力扩展。由于所承受载荷为旋转弯曲载荷，因此，在轴的圆周上存在多处开裂点。8.