大型水平定向鉆機(jī)浮動(dòng)芯軸斷裂失效分析

趙國臣，劉 陽，武 奇，張 力，保紅兵，鹿奇彪，劉 賀

（徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

水平定向鉆機(jī)是在不開挖地表面的條件下，鋪設(shè)多種地下公用設(shè)施(管道、電纜等)的一種施工機(jī)械。前期，我公司一臺(tái)大型水平定向鉆機(jī)在施工過程中動(dòng)力頭輸出浮動(dòng)芯軸出現(xiàn)了突然斷裂導(dǎo)致鉆機(jī)無法工作的問題。水平定向鉆機(jī)動(dòng)力頭的結(jié)構(gòu)由一個(gè)高速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，由減速機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭，然后通過減速箱輸出軸驅(qū)動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)鉆桿鉆頭回轉(zhuǎn)；承受鉆進(jìn)、回拖過程中產(chǎn)生的反力。浮動(dòng)芯軸是動(dòng)力頭的核心零部件，在工作過程中承受著拉扭交變載荷作用。為了徹底弄清芯軸斷裂的原因，我們對(duì)其進(jìn)行了失效分析。

1 分析過程與結(jié)果

1.1 宏觀分析

浮動(dòng)芯軸零件結(jié)構(gòu)及斷裂位置如圖1所示，斷裂后的斷面外觀及斷口宏觀形貌如圖2所示。對(duì)照?qǐng)D1與圖2，斷裂位置處于軸上變截面臺(tái)階上螺紋的起始處。

從圖2中看到，斷裂面與軸向垂直，無塑性變形痕跡，整個(gè)斷口平齊，呈放射性花紋，清晰可見，并非常粗糙，在圓周上均可見到密集的裂紋臺(tái)階。根據(jù)斷口形貌可以得出，裂紋源起始在外表面，最后斷裂在內(nèi)孔。斷裂過程為：首先在浮動(dòng)芯軸的第一個(gè)螺紋根部的某一點(diǎn)開始起裂，見圖2中的A區(qū)，可看到放射線從表面一點(diǎn)向內(nèi)側(cè)及兩側(cè)擴(kuò)展，隨后在整個(gè)圓周上快速形成其它裂紋，在表面裂紋形成后即快速地向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展方向基本垂直向內(nèi)側(cè)，見圖2中的B區(qū)域；只是擴(kuò)展到接近裂紋匯合處時(shí)，擴(kuò)展方向稍有傾斜指向匯合處，見圖2中的C區(qū)。整個(gè)斷裂過程是一次性的，只是裂紋擴(kuò)展的速度有先后，在A區(qū)起裂后，裂紋快速的擴(kuò)展至整個(gè)截面。

其中，A、B、C區(qū)的放大形貌如圖3所示。從圖3中B、C區(qū)放大形貌可看到，在圓周表面與內(nèi)壁處裂紋比中間層細(xì)小。一般情況下，組織的韌性越好，斷口放射線的形貌越細(xì)密，材料脆性越大時(shí)，放射線形貌越粗糙。由此可見，浮動(dòng)芯軸表面與中間層區(qū)域的組織可能存在差異，有待下面進(jìn)一步進(jìn)行顯微組織分析。

根據(jù)以上宏觀分析結(jié)果可以得出，浮動(dòng)芯軸的斷裂類型為一次性的過載脆性斷裂。

1.2 材料化學(xué)成分分析

用日本島津公司PDA-5500S光電直讀光譜儀對(duì)浮動(dòng)芯軸材料進(jìn)行了化學(xué)成分進(jìn)行了檢測，認(rèn)定該材料為40CrMnMo鋼，與圖紙中的材料要求一致，并且在從成分檢測中發(fā)現(xiàn)該材料的均勻性較好，因此排除了材料成分不符合或不均勻引起的失效。

1.3 顯微分析

為了弄清楚浮動(dòng)芯軸表面與中間層區(qū)域的內(nèi)部組織是否存在差異，我們分別在A區(qū)與B區(qū)取樣，沿試樣縱截面觀察其顯微組織。通過顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，在斷口上各區(qū)的顯微組織基本相同，均為回火索氏體，表面與中間層區(qū)域的組織稍有差別，但可以證實(shí)浮動(dòng)芯軸零件的熱處理在壁厚范圍內(nèi)基本淬透。顯微組織反映出淬火前的原始組織不均勻，即鍛造后的不均勻粗大組織未消除就直接進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理，雖然得到了回火索氏體組織，但組織分布非常不均勻。組織的不均勻性中間層區(qū)域最為嚴(yán)重，內(nèi)外表層稍好，這與宏觀斷口上的放射性粗糙程度是一致的。此外，顯微組織形貌顯示，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時(shí)淬火溫度偏高，導(dǎo)致產(chǎn)生粗大馬氏體晶粒，且混晶現(xiàn)象嚴(yán)重。

由于取樣時(shí)發(fā)現(xiàn)各區(qū)的顯微組織基本一致，故只取用A區(qū)試樣，對(duì)試樣進(jìn)行了奧氏體晶粒度的顯示實(shí)驗(yàn)及晶粒度測量，顯微組織如圖4所示。依據(jù)GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定法》標(biāo)準(zhǔn)，按照定量金相原理進(jìn)行晶粒度測量。測量結(jié)果顯示，晶粒大小非常不均勻，晶粒尺寸較大的可達(dá)到2～3級(jí)左右，晶粒尺寸較小的可達(dá)到6～7級(jí)，但所占比例很小。另外，由圖4中還可看出，奧氏體晶粒的等軸性較差，這說明該芯軸材料在調(diào)質(zhì)前未經(jīng)過均勻化退火或退火不充分。低中碳合金鋼經(jīng)熱軋或鍛造后的組織是變形的不均勻的帶狀組織，由以先共析鐵素體為主的帶狀組織和以珠光體為主的帶狀組織彼此交替堆疊而成，是鋼材中常見的缺陷性組織，會(huì)加大淬火開裂傾向，必須在高溫下通過長時(shí)間的擴(kuò)散均勻化退火才能消除，進(jìn)而得到均勻的等軸狀晶粒。

1.4 硬度測試

在此斷裂芯軸的A區(qū)與B區(qū)分別在其外層、中間層和內(nèi)層取樣，分別進(jìn)行布氏和洛氏硬度測試。硬度測試結(jié)果表明，外層硬度稍高于中間層和內(nèi)層硬度，而內(nèi)層與中間層硬度差別不大。材料的布氏硬度在234～255HB，洛氏硬度在25～31HRC。其硬度值明顯低于零件圖紙中的技術(shù)要求中的300～350HB，換算為洛氏硬度為32～38HRC，同樣低于技術(shù)要求。且從顯微組織形貌中也可反映出硬度是偏低的，因淬火前的組織成分不均勻，造成很多的區(qū)域并未得到馬氏體組織，所以調(diào)質(zhì)后材料整體硬度就偏低。

2 分析與討論

由以上分析可以得出以下結(jié)論。

1）浮動(dòng)芯軸斷裂類型為一次性的過載脆性斷裂，這里所說的過載是針對(duì)材料所能承受的應(yīng)力來講的，材料的強(qiáng)韌性高，則設(shè)備的允許使用應(yīng)力就越大，若材料的脆性很大，可能在設(shè)備使用時(shí)很小的應(yīng)力就會(huì)致使零件過載斷裂。

2）因?yàn)榱鸭y源起始于變截面的螺紋根部，該處是截面積最小的危險(xiǎn)截面，通常螺紋根部越尖銳，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，越容易產(chǎn)生裂紋，這樣要求材料具有很高的強(qiáng)韌性能，才能滿足零件的使用性能。對(duì)零件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，就是要使之得到較好的強(qiáng)韌性能，但由于對(duì)浮動(dòng)芯軸的熱處理控制不當(dāng)，最終得到的不是均勻、細(xì)小的回火索氏體組織，而是在過熱區(qū)得到了粗大的馬氏體組織，馬氏體硬度高、脆性大，容易引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。組織的不均勻且粗大，這兩個(gè)因素對(duì)材料韌性影響最大，而該零件的組織同時(shí)存在這兩個(gè)因素，所以使得材料的強(qiáng)韌性大大降低。

綜上所述，浮動(dòng)芯軸零件的斷裂原因主要是由于熱處理工藝控制不當(dāng)，沒有獲得所需的組織，因材料的顯微組織不均勻，晶粒粗大，混晶嚴(yán)重，致使材料的強(qiáng)韌性差，硬度偏低。

3 結(jié) 論

1）浮動(dòng)芯軸的斷裂類型為一次性的過載脆性斷裂，斷裂位置在變截面上的初始螺紋根部。

2）斷裂的主要原因是材料的組織晶粒粗大不均，原始組織不均勻，導(dǎo)致材料的脆性增大，因此對(duì)淬火之前的坯料需進(jìn)行均勻化擴(kuò)散退火處理。

3）顯微組織差的原因是熱處理工藝控制不當(dāng)，應(yīng)嚴(yán)格控制淬火溫度，避免過熱。