依然是经典的大型螺杆断裂分析！

  为答谢斑竹“我爱航空”对工程材料论坛的精心管理和悉心维护，同时为提高我们论坛的技术含量和聚集人气。
我应斑竹之邀，再次整理出版另一篇手头上珍藏多年的、十分具有典型性和示范性的大型螺杆断裂的文章。

一、概况

如下图所示，某单位的J53-2500双盘摩擦压力机的螺杆在使用过程中发生断裂。螺杆总长为3700mm，螺杆断裂发生在直径为Φ509 mm的光滑轴颈处。
断裂螺杆宏观形貌，见照片1，螺杆断裂端面和照片2 ，螺杆头部。









二、断裂形貌

螺杆断口宏观形貌见照片3~6。

1、螺杆断裂面垂直于轴心线，断口平齐，见照片3。





2、螺杆断面中心部有“光滑的圆形”区，内有一长度约为245mm的“月牙”形裂纹，裂纹两端呈尖角状；外围有粗糙的“放射状花纹”区；外沿有“光滑的环形”区，见照片4。





三、分析说明

1、螺杆断面中心部“光滑的圆形”区内的“月牙”形裂纹两端
呈尖角状，可形成最大的应力集中。正常条件下，轴类工件的表面应力为最大，疲劳核心应在表面形
成，由于该螺杆中心部位存在原始裂纹，且裂纹两端呈尖角，是最大的应力集中，所以该裂纹就是疲劳源，见照片5。





2、根据螺杆断口的宏观形貌，螺杆断面中部的“光滑的圆形”为疲劳扩展区，见照片4。疲劳扩展区外围粗糙的“放射状花纹”为瞬时断裂区，见照片5。外沿的“光滑的环形”区为瞬时断裂后惯性摩伤区，见照片6。

该螺杆断口的疲劳扩展区在断裂面中心部呈光滑的圆形区，表明该螺杆承受均布的轴向拉-拉/拉-压应力，在该应力作用下，两个匹配断口相互挤压而使断口该区表面呈光滑状。
该螺杆的疲劳断裂起源于其中心部裂纹向轴表面扩展，断口是由轴中心向外扩展的疲劳断口。

  







3、该螺杆的疲劳瞬时断裂区断口粗糙且呈放射状，表明该处断口是脆性断裂，但不是导致螺杆断裂的起始原因。断裂的主要原因是螺杆中心部存在原始裂纹缺陷。

楼主，这“月牙”形的缺陷是什么啊？就是简单的裂纹吗？这个裂纹又是怎样形成的呢？

引用第1楼jiangfr63于2007-03-25 11:43发表的:
楼主，这“月牙”形的缺陷是什么啊？就是简单的裂纹吗？这个裂纹又是怎样形成的呢？

裂纹的产生与材料缺陷及热处理工艺密切相关，这个分析只是从宏观上进行的。如果有金相分析，就可以确定裂纹产生原因的。
谢谢normandy提供的好资料～～

很漂亮的断口。。。
从照片4看，平坦光滑的中心区的放射花样表明裂源位于正中心，那月牙形是一种碰伤类的痕迹。边缘的一圈“光滑圆”应该是另外一个疲劳区，属于扭转类型的疲劳区。其实这个断口很复杂，疲劳从内外都有起源，两个源的主导应力并不相同，与工件的受力有关，最粗糙的那部分放射花样确实是最后断裂部分。我在胡说...共同讨论。
楼主的宏观照片很清晰。。。不错。

楼主的分析和图片讲解都很全面，有图有理，看过之后印象深刻。

我发表几点个人意见：
1、月牙形的缺陷，应是材料本身的缺陷。
2、断面较为平整，我认为裂纹源不会在心部（工件可能进行过热处理，那么内外的硬度就不会一致，导致出现三个明显的区域，将断面分为三部分）。
3、裂纹源很可能出现在最外圈，从图上看，与断裂部位相连的应该有一个凸台，这样的话，凸台的拐角就会形成一个裂纹源，从而在外部向内部扩展裂纹。------判断依据是，断面是一个完整的平面；而月牙形缺陷不断扩展的话，有可能是个斜截面。

以上为个人观点，只为参与讨论。

我同意4楼的观点，可能运行过程中受到剪切力导致的。

要是能做一个断裂处的金相照片那就更好了.看看有什么样的组织

这个月牙应该是材料在断裂过程中形成的，不是内部缺陷。

关于月牙形是碰伤的两点理由：
1、照片3非常清楚地反应了月牙形的变形方向，在凸弧的内侧有卷边现象，类似于铲入的作用。
2、月牙形痕迹后于放射线痕迹产生。从整个光滑的中心区域的放射线方向可看出，汇聚于中心点，而月牙形的伤痕斩断了放射线，为后产生的痕迹。试想，如果有这个原始缺陷的存在，疲劳裂纹的起源沿着该缺陷的尖端产生（如楼主所说）那么就会有放射线花样汇聚该处的特征，很明显，这个情况不存在。
关于边缘疲劳区和中心疲劳区的产生先后顺序：
中心疲劳区先于边缘区产生，是本次疲劳断裂的起点。
根据该工件的服役特点，在运行时可分解为轴向的拉-压+扭矩，而扭矩在轴的横截面上的切应力可近似处理为：轴边缘最大，逐渐递减至心部为零。如果将轴向拉-压处理为截面上均匀分布，经叠加后的合应力就可得出边缘最大。至此似乎应该得出结论，疲劳应在表面先产生。但实际上要考虑：1、轴表面和轴心部的材料强度问题，对大直径的中心的强度比边缘要低很多，而且心部出现冶金缺陷的可能较大；2、轴向的拉-压冲击力远大于扭矩分解力，因此扭矩大大减小了对拉-压作用的影响。所以对轴来说，依然表现为类似拉伸试验效果的裂纹从心部起源的特点。反过来说，如果疲劳源于表面，扩展一定深度后，就相当于表面锐缺口式样的拉伸试验，裂纹会扩展的越来越快，就不会有中心的光滑区了。
那么为什么疲劳从中心起源后，会又有表面起源呢？
我认为是这样的，当中心的疲劳区扩展到一定程度，在有裂纹的这个圆截面上，由于内部变空，只剩下周边截面，此时该部位就类于圆筒的受力情况，边缘受到应力达到超过了其材料的疲劳强度，因此次生疲劳从表面开始了，两部分裂纹相向扩展，直至最后瞬断交汇（最粗糙区）。

我认为这是一个脆性断裂，为什么在不同地方的形态不同，是因为他的热处理工艺不好引起的组织偏析，而中间正好有个裂纹在这个地方产生了断裂。