工程机械零件的断裂失效分析

无论是轴、齿轮或连接件断裂，首先应对断口进行宏观分析，即用肉眼或放大倍数不到30倍的普通放大镜，对断口表面直接观察，以确定断裂的宏观表现及性质。变矩器的泵轮或涡轮往往有许多叶片被打坏。这些叶片的损坏有先有后，导致变矩器失效的是最先损坏的叶片。最早损坏的零件，就是断裂失效分析的依据。
　　同一个零件相同部位多处发生破断时，要找出这个零件失效的原因，必须先搞清楚哪个部位最先损坏。齿轮的齿根断裂时，一定要找出最先断裂的那个轮齿。一般情况下，先断轮齿的断口上往往留下的是疲劳断裂的特征，而后来由于冲击载荷加大而打掉的轮齿断口多是过载断裂的特征。
　　找到最先断裂件后，再确定主断裂面或者主裂纹，即最先开裂的断裂面和最先产生的裂纹。对主断裂面的变形程度、形貌特点，特别是断裂源区的分析，是整个断裂失效分析中最重要的环节。
　　如果机械零件已经损坏成碎片，则将这些碎片按零件的原状拼合起来，然后看接缝的密合程度。密合程度好的、接缝小的是后断裂的，而密合程度最差的断裂面，接缝最大的，就是最先开裂的断裂面，它就是主断裂面。
　　图1是一台挖掘装载机转向缸端头销孔开裂的照片，开裂成3段，有A、B、C　3条裂缝。其中，A断裂面的裂缝最大，密合程度最差，它就是主断裂面。
　　如图2所示某机械零件产生T形裂纹，A为最初形成的主裂纹，B裂纹为后形成的，B裂纹的扩展被A裂纹所阻止，它不可能穿越先产生的裂纹进一步扩展。


　　金属零件断裂中，疲劳断裂占60%以上。疲劳断裂失效的形式很多，按交变载荷形式可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳和振动疲劳等。
　　断裂实例如下：
　　（1）2004年，山东某厂的一台ZL15型装载机售到河南新乡，使用不到3个月，前桥半轴就折断了5根。该厂技术人员打电话向我们咨询半轴折断的原因。我们通过分析以后，电话答复该厂，先检查5根折断半轴的硬度。检查后发现5根半轴均未调质，半轴强度自然达不到技术要求，所以出现屡断屡换的情况。前桥半轴结构比较简单，加工并不复杂，常规工艺流程是45号钢棒料粗车后调质再铣花键。由于现在不少机械厂没有热处理车间，就采用45号钢调质棒料直接铣花键，以简化工艺。如果工人拿错棒料，把未调质的45号钢棒料当作调质棒料加工，显然就会出现上述问题。由于故障比较简单，在电话中就解决了问题。
　　（2）2005年，山东某厂一台WZ25-20型挖掘装载机的动臂缸活塞杆由于未调质，造成活塞杆顶弯的故障，我们也是在电话中协助分析原因，解决了问题。
　　（3）2006年，河南某厂售出的一台ZL50型装载机，使用不到700h就发生铰接机架上关节轴承内圈破碎的故障。该厂技术人员请我们分析轴承内圈破碎的原因。我们到达该机作业现场，发现轴承内圈完全破碎，根本无法从轴承配合尺寸、装配环节上分析。现场搜集到的轴承内圈碎片极少，仅有21小块，不到整个内圈的20%，无法拼合恢复原状，也就无从找到主裂纹、主断裂面。关节轴承虽然是工程机械的重要零件，但它的工作条件并不恶劣，工作中仅是低速回转，除铲装物料时受冲击较大以外，其他工况下所受冲击都很小，极少出现轴承内圈破碎的问题。检查碎片硬度为HRC62，符合技术要求。观察轴承内圈碎片的断口，断裂面洁净呈现亮灰色，断口齐平，为脆性结晶状，分析轴承内圈破碎的原因为氢脆开裂。氢原子的原子半径最小，所以非常容易进入金属，使金属脆性加大，导致氢脆，而且材料硬度较高时，易产生氢脆断裂。电镀和酸洗时，会引起对金属材料充氢而导致氢致损伤。