• 另外，该风机在运行中的振动较其他风机 高，会造成振动疲劳与旋转弯曲疲劳的联合 作用，也导致轴的疲劳寿命降低。导致该风 机振动增加的因素可能与表面焊接时形成的 缺陷有关，应注意检查。当更换新轴后的振 动依然未能解决，应从安装上查明原因，减 小其振动。
8.1.4 结论 （1）此次风机轴断裂为低应力疲劳断裂，断裂由 轴表面三处缺陷的根部起始，扩展后汇合形成开 裂。 （2）轴疲劳开裂的直接原因是在轴的最大受力面 有严重的缺陷。 （3）缺陷的形成为轴表面焊接时的焊接缺陷造成 的。表面焊接材料为近似20钢，在轴的台阶过渡处 形成多处虚焊。 （4）轴的基体材料组织存在w组织，同时风机运行 中振动较大，影响轴的使用寿命，建议加以更改。
表8-2 不同齿的硬度测试结果结果
注：齿顶1靠近断口处，齿顶2、3为相邻的齿。
8.2.3 讨论 • 上述分析可以确定，齿轮的开裂属疲劳开裂。导 致齿轮早期开裂的主要原因是：①齿轮表面尤其是 齿根部位硬度偏低，齿轮根部一方面要承受齿轮运 转中轮齿啮合时的较大弯曲应力；另一方面，齿轮 啮合表面产生较严重的磨损和接触疲劳，形成齿面 上的剥落坑，使得齿轮在传动过程中产生冲击和较 大的振动，低硬度的齿根不能承受这样的载荷，疲 劳裂纹即从轮齿根部形成并扩展。
图8-8 硬度测试结果
2. 缺陷的形成与致断原因分析 • 由上述实验和分析，可以认为缺陷的形成过程 为：该轴安装轴承的轴表面经过表面补焊或堆焊处 理，焊接材料为近似20钢。在焊接时，由于轴的台 阶结构和散热，在台阶过渡处形成多处虚焊点，即 轴上观察到的多处缺陷。这些虚焊表面，形同轴内 存在宏观裂纹。轴在运行中，在这些缺陷根部以疲 劳裂纹源的形式导致疲劳开裂。
• 当缺陷达到一定尺度，尤其是片状缺陷，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。
图8-11 断口的枯木状形态，有 大量的碎块状夹杂和二次裂纹
图8-12 断面上大晶粒开裂的形态， 开裂断面上有断续的疲劳痕迹
图8-13 二次裂纹形态，裂纹内有碎块 状夹杂，裂纹两侧晶粒磨损挤压痕
图8-14 开裂面边缘形态，表面明 显变形、磨损，有小深的微孔
8.2.2 齿轮材料金相组织与性能硬度分析 • 为了进一步确定齿轮开裂的原因，在开裂 的齿面不同部位取样，进行金相分析，各部 位典型组织形态为粗大的铸态组织，如图815所示。从图8-15可知，齿轮齿面的组织形 态与心部基本相同，组织中存在较大的夹杂 物和铸造缺陷，这是导致材料疲劳强度降低 的主要因素。
• 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。
8.1.3 缺陷与断裂原因分析 1. 缺陷与组织分析 • 金相组织分析显示，在轴表面有一厚度约 0.6mm白亮层。在扫描电镜上对缺陷部位和 基体金属进行能谱衍射分析，结果显示在缺 陷部位的金属成分与基体相同，主要元素为 Fe，有少量的Mn，未发现其他元素成分。
• 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。
• 整个齿轮的齿面损伤比较严重。在断裂的 齿面和没有断裂的齿面上，均有大量的麻 点，有的地方已形成剥落坑，见图8-10。
2. 微观分析 • 断口疲劳开裂区的微观形貌如图8-11～图8-14所 示。图8-11为齿根开裂源区形貌，断面呈现枯木状 断裂形态，有许多块状碎裂的夹杂物，其上分布二 次裂纹；图8-12所示断口上难以观察到明显的疲劳 断裂形成的疲劳条痕，只在局部晶粒上有类似于疲 劳条痕的断裂形态；图8-13显示在二次裂纹部位可 以观察到裂纹内有较多的碎块状夹杂，两侧晶粒有 明显的摩擦痕迹；图8-14表明断面边缘也有明显的 磨损挤压形态，局部的微孔深、孔口小，属于夹杂 脱落导致。
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，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。
• 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：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。
8．2矿井提升绞车减速齿轮早期开裂分析 • 某矿主井提升绞车减速器二级齿轮，在安装使 用不到2年时发生齿轮齿面开裂，而该设备按设计 要 求应正常运行15年以上。矿井提升绞车不仅担负着 矿井煤炭提升运输的主要任务，而且其付井还承担 人员的提升运输，一旦减速器齿轮开裂导致提升机 失控，对矿井生产和安全将造成严重影响。因此， 有必要对开裂的齿轮进行综合分析，查找造成齿轮 开裂的原因，以避免事故的发生。
• 轴的基体组织中P含量偏高，且有明显的w组织。 该组织既不同于45钢正常正火组织，也不同于45钢 调质组织。组织分析认为，该组织的形成与该轴热 处理时加热温度偏高，而冷却时冷速较正常正火冷 速快有关。虽然该类组织在此次轴的开裂中不是根 本性的因素，但此类组织可降低轴的疲劳强度。尤 其该风机设计安装时将风机叶轮由19.5D改为 20.5D，增加了轴的负荷，因此，在更换新轴时应 注意对轴的热处理规范的控制。
• 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。
a）
b）
图8-4 断口缺陷处裂纹形貌（3×）
图8-9 开裂齿轮形态及齿面
上裂纹的分布形态
• 为了确定齿轮开裂的性质，将开裂齿轮打 开，得到的齿轮开裂面形态如图8-10所示。
图8-10 断口宏观特征
• 断裂发生在齿轮齿根处。从断面裂纹扩展 宏观形态（见图8-10）可以确定，断裂属于 疲劳断裂特性。裂纹疲劳扩展区比较光亮， 呈半椭圆形形态，可隐约观察到裂纹扩展过 程中形成的疲劳弧线。裂纹疲劳扩展到一定 尺寸后在外力作用下快速扩展，形成过载开 裂形态，在疲劳断裂区边缘有明显的裂纹扩 展形成的撕裂棱，开裂面粗糙，有清楚的放 射状花样。
②粗大的铸态组织和夹杂物以及钢中的铸 造缺陷提高了裂纹的扩展速率da/dN（mm /次），导致疲劳裂纹快速扩展，加速了断 裂的过程。 ③从齿轮齿面磨损和剥落坑形态以及断齿的 疲劳区与最后瞬断区的比例可以看出，齿轮 的实际运行载荷较大，为裂纹的形成和扩展 提供了力学条件。
a）A处பைடு நூலகம்
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。
C）
d）
C）心部组织及夹杂物 1（500×）
d）心部组织及夹杂物 2（500×）
• 取断齿及相邻的轮齿，检验齿轮的硬度， 结果列于表8-1和表8-2。齿轮硬度较低，齿 面硬度只有30HRC，与齿轮心部硬度相差不 大。尤其齿根硬度偏低，只有25HRC。
表8-1 单齿硬度测试结果
（单位：HV0.1）
• 在焊接表层金属的过程中，在焊接热影响 区使基体部分金属温度达到其临界温度，从 而在其后的冷却中发生马氏体相变。
• 缺陷处从表面到基体的硬度值测试结果如 图8-8所示，表层白亮区硬度很低，硬度值为 220HV0.1，淬火区M的硬度为386HV0.1，基 体硬度为250HV0.1。
图8-7 缺陷处表层组织 形态（50×）
• 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=17.25 MPa。 • 45钢许用应力[σn]=55MPa，σmax<[σn]。 • 同时，根据行业标准，主轴临界转速系数应不小 于1.3，该风机主轴的临界转速系数为2.14，符合要 求。
• 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。