DY08型鋁合金彈性聯軸器的斷裂失效分析

張 素，鄧愛林,廖春平

(1.新疆輕工職業技術學院機械技術分院，新疆 烏魯木齊 830021) (2.西南科技大學制造科學與工程學院，四川 綿陽 621000) (3.成都科萊斯低溫設備有限公司,四川 成都 611230)

聯軸器是用來聯接主動軸和從動軸，使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件，具有較好的柔韌性和抗沖擊性，即使在高速下也能平穩運轉并能承受較大的工作量[1]。在高速重載的動力傳動中，聯軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態性能的作用[2-4]。在交變載荷的作用下，聯軸器易發生斷裂、蜂窩等現象，其失效原因主要是設計不良、制造質量差以及安裝不當等[5]。為了探究聯軸器失效原因，許多學者進行了相關的研究。Domazet等[6]對軋機聯軸器的失效進行了分析，結果表明，聯軸器由于設計不當，在工作的過程中產生應力集中，導致疲勞失效。Reboh等[7]發現聯軸器系統中疲勞裂紋的萌生點發生在焊縫處，因此對焊接過程應有嚴格的要求。馬肇基等[8]針對通風機彈性聯軸器在生產中頻繁出現斷裂的現象進行了分析，研究發現是因為聯軸器設計不當以及裝配誤差導致強度降低。

本文針對某廠家生產的用于多功能試驗臺的DY08型彈性聯軸器，在使用約3個月后(每天工作1 h計)出現斷裂的情況，運用化學成分分析、硬度測試、宏觀檢查、斷口形貌分析、金相組織分析等方法，分析其斷裂失效的原因。

1 實驗研究

1.1 化學成分檢測

在失效的彈性聯軸器上截取試樣進行化學成分分析，結果見表1，可見滿足GB/T3190—2008的技術要求。

表1 彈性聯軸器化學成分(質量分數) %

1.2 硬度檢測

硬度是重要的力學性能指標，反映的是材料彈性和塑性變形性能。本文采用維氏硬度檢測方法檢測該斷裂件，將斷件置于顯微硬度計上，取6個點(部分壓痕如圖1所示)，并對測得的值求取平均值，結果見表2。舍去壓點2和6，得到該彈性聯軸器的維氏硬度為111HV(F=2.942N)，符合GB 5237.1—2017中硬質鋁合金的硬度標準。點2的硬度偏高，說明材料中存在脆硬相。

圖1 壓痕

表2 維氏硬度

1.3 宏觀檢查

斷口的宏觀檢查是為了逐步判斷斷裂失效的性質、斷裂的起源、造成斷裂的載荷因素以及工作環境等[9]。用細毛刷輕刷斷口，觀察斷面(如圖2所示)，可見：聯軸器斷面呈銀灰色，部分區域呈黑灰色，對光轉動，邊緣區域有閃閃發光的突起棱邊；斷口可以拼合復原；有光澤，無氧化，無腐蝕痕跡；無明顯冶金缺陷。沿著斷面上的放射狀花樣，可以發現裂紋起始于斷口的邊緣處，并沿著徑向擴展，如圖2中圓圈區域所示。在交變應力的作用下，在斷口的另一側形成撕裂棱。

圖2 斷口宏觀形貌

1.4 斷口形貌分析

將斷口置于型號為BX51的反射偏光顯微鏡下觀察，可見斷面粗糙不平，呈階梯狀，沒有明顯的塑性變形，如圖3所示。將斷口用超聲波清洗儀清洗并鍍金后，置于型號為EV018的鎢絲燈低倍掃描電鏡下觀察圖2中圓圈區域，如圖4所示。箭頭指向區域斷面平坦整齊，沒有塑性變形，而圖中左側橢圓區域內，存在明顯的撕裂棱，屬于脆性斷裂形貌。另外，方框區域有明顯的參差不齊的加工刀痕，在交變應力的作用下，很容易在此處形成應力集中，使此處成為薄弱區域，成為裂紋萌生的源點。

圖3 光鏡下的斷口形貌

圖4 斷口的低倍形貌(100×)

將斷面放在1 000倍的掃描電鏡下觀察，如圖5所示，斷裂晶粒呈現為粗大的塊狀，每個晶粒的多面體形貌類似于巖石塊的堆集，表現出巖石狀斷口，并且由于多面體感強，各晶粒塊之間存在裂痕，故3個晶界面相遇之處能見到三重結點，表明該斷口屬于沿晶脆性斷裂。

圖5 斷口的高倍形貌(1 000×)

在高倍掃描電鏡下觀察裂紋疲勞擴展區的斷口，如圖6(a)所示，可見清晰的疲勞輝紋，表明該聯軸器受到交變應力的作用，屬于疲勞脆性斷裂。對裂紋擴展區進行EDS分析，發現其Si元素的含量明顯高于基體，如圖6(b)所示。過多的Si元素易形成脆硬的化合物，使得聯軸器的脆性增加而塑性下降，損害基體[10]。

1.5 金相組織檢驗

斷裂零件的金相組織如圖7所示，由圖可見金相組織成分均勻，晶粒較細，無嚴重夾雜及疏松等組織缺陷。圖8為聯軸器斷面切縫邊緣處金相組織形貌，圓圈區域中顯示微小的裂紋從邊緣表面處開始向內延伸，表明裂紋源存在于邊緣的表面。

圖6 斷裂擴展區的微觀形貌與其EDS結果

圖7 正常部位組織

圖8 斷面邊緣組織

2 分析與討論

通過斷口形貌可知，斷裂面無明顯的塑性變形，在高倍掃描電鏡下斷裂晶粒呈現巖石狀的堆集，是典型的脆性沿晶斷裂，且裂紋的擴展區呈現疲勞輝紋，由此可知，該聯軸器斷裂屬于疲勞脆性斷裂。

由理化檢驗結果可知：該彈性聯軸器的硬度符合技術要求，但個別區域的硬度偏高。經能譜分析發現，斷裂面Si元素含量超標，表明Si元素與其他元素產生了硬化相，使得材料的硬度分布不均，局部區域硬度偏高。金相組織成分均勻，顯微組織正常，晶粒細小，無嚴重夾雜及疏松等組織缺陷，表明該彈性聯軸器的熱處理質量尚好。

斷口觀察結果顯示，斷面存在放射狀的貝紋線，沿著貝紋線擴展的反方向確定了裂紋源位于斷口的邊緣，且在斷口邊緣處發現存在加工刀痕，表明聯軸器在工作的過程中受到交變載荷的作用，在加工刀痕處產生局部的應力集中，其應力值遠大于材料的強度極限[11]，降低了聯軸器的承載能力，成為裂紋的起始點。能譜分析結果表明，材料中存在脆硬相，在應力集中時，容易形成微裂紋，當聯軸器處于交變載荷的工作狀態下，微裂紋逐漸聚集和擴展。需要注意的是，在聯軸器的兩端與彈簧片的交接處厚度不均，所承載的扭轉能力不同[12]。在高速旋轉的工作狀態下，聯軸器的兩端存在轉速差，導致安裝過程中出現軸心無法對中的情況[1]，產生上下振動，此時的彈簧片將同時受到周向的扭矩和軸向的拉力，使得裂紋加速擴展，最終導致聯軸器發生斷裂。

3 結論與建議

1)該彈性聯軸器的斷裂模式為疲勞脆性斷裂。

2)該彈性聯軸器斷裂失效的主要原因是由于聯軸器本身存在加工刀痕，在應力集中處產生微裂紋(即裂紋源)。

3)材料中Si元素的含量偏高，產生脆硬相，使得聯軸器韌性下降而脆性增加，在交變載荷的作用下，導致裂紋擴展，最終發生疲勞斷裂。因此在選擇材料時應嚴格把關材料的質量。

4)聯軸器表面殘留的加工刀痕是導致裂紋產生的主要原因，可以通過選擇合適的加工方法，提高聯軸器的表面質量，并在裝配前嚴格檢查其表面質量，避免出現加工缺陷。