设计不当引起的失效案例：探究原因和解决方案

案例1 蜗杆断裂失效分析

（1）概况 蜗杆为某重型车辆传动部件的零件。其作用为电动机输出动力到减速器，减速器通过键将动力传动到蜗杆上，蜗杆再带动蜗轮实现部件的转动。该车辆在跑车试验过程中，当电动机再次通电后，部件无法转动，停车检查故障原因，发现蜗杆发生断裂；重新更换新的蜗杆，部件在转动一段时间后，又出现上述故障，检查第二根蜗杆在同样位置发生同样断裂，蜗杆宏观形貌如图6-1所示。

图6-1 蜗杆宏观形貌

（2）检查结果与分析

1）宏观检查结果表明，零件断裂位置在两圆柱直角过渡处，断裂位置如图6-2所示，靠近断裂位置的较大直径圆柱外表面有明显的磨损痕迹；两对应断口形貌如图6-3所示，清洗后的断口形貌如图6-4所示。断裂起源于圆周外表面，沿圆周方向存在多处小台阶，为线源，断面上有较明显的疲劳弧线，最后断裂区位于零件直径1/3处，纹缕较粗。根据断口特征分析，断口具有线疲劳断裂特征。

图6-2 断裂位置

图6-3 两对应断口形貌

图6-4 清洗后的断口形貌

2）零件尺寸检测结果表明，断裂位置相邻圆柱的直径尺寸符合相关图样技术要求。

3）化学成分分析结果符合相关标准规定。

4）金相检查结果表明，非金属夹杂物满足相关标准要求；基体组织存在带状偏析，参照GB/T13299—1991，带状组织评为3级，如图6-5所示；基体金相组织为粗大回火索氏体+粗大贝氏体，如图6-6所示；经过饱和苦味酸溶液浸蚀，按照GB/T6394—2017，基体实际晶粒度评为7.0级。

图6-5 带状组织偏析

图6-6 金相组织

（3）讨论 按照工艺要求，蜗杆应经过调质处理，获得回火索氏体组织。调质处理后零件应获得一定的强度、韧性，具有良好的综合力学性能以满足使用性能要求。而实际中蜗杆的基体金相组织为粗大的回火索氏体+粗大的贝氏体，强度和韧性会明显降低。

蜗杆基体组织中存在偏析现象，这将明显影响零件的力学性能。采用一般的正火工艺，无法消除偏析组织，只有进行1000℃以上的高温退火，然后采用正常的正火处理，才有可能消除或改善这种组织偏析，从而提高钢的塑性。

蜗杆断裂位置是零件受力相对较大的部位，且蜗杆断裂位置在直角过渡处，应力集中明显。

综上所述，该零件的综合力学性能将明显下降，在车辆运行过程中，当受到外力时易从蜗杆直角过渡处（即应力集中部位）发生断裂。

（4）结论 蜗杆直角过渡的外形结构是零件断裂的主要原因，其次蜗杆基体组织偏粗且存在偏析现象加速了零件的断裂进程。

（5）建议 蜗杆直角过渡处建议改为R角圆弧过渡。

案例2 左端盖断裂失效分析

（1）概况 左端盖为某重型车辆新试制产品零件，主要用于传递转矩。左端盖与叶片轴相互配合，零件配合如图6-7所示。叶片轴与左端盖形状完全一样，均有四个爪。两零件之间为非金属材料的缓冲体，左端盖为主动力，材质为38CrSi，运动方向为圆周顺时针或逆时针方向，叶片轴为被动力。左端盖宏观形貌如图6-8所示。在进行考核试验时，左端盖发生断裂失效，缓冲体严重变形。

图6-7 零件配合示意图

图6-8 左端盖宏观形貌(www.xing528.com)

（2）检查结果与分析

1）宏观检查结果表明，左端盖断裂发生在四个爪部位，且四个爪均发生断裂，断裂处位于四个爪R角过渡位置，断裂位置如图6-9箭头所指；四个爪的断口形貌基本一致，断口颜色有金属光泽，表面不平坦，断口上没有明显的宏观塑性变形，具有脆性断裂特征。

2）化学成分分析结果表明，断裂左端盖化学成分符合相关标准规定。

3）金相检查结果表明，断裂左端盖非金属夹杂物及金相组织均属正常，满足相关标准要求。

（3）讨论 从左端盖的外形结构分析，左端盖在传递转矩过程中，主要靠四个爪来传递，四个爪集中受力程度大，爪单位面积上的承载载荷能力相对较大，使用安全系数较低。在台架试验过程中，当受到外力时易从左端面R角（即应力集中部位）发生断裂。

图6-9 断裂位置

（4）结论 左端盖的外形结构使用安全系数较低，当受到外力时易从爪部位R角（即应力集中部位）发生断裂。

（5）建议 改进左端盖的外形结构，增加四个爪单位面积上的承载载荷能力，可进一步增加其使用安全系数。因此，建议将左端盖的四个爪去除，在同样直径的地方，沿圆周方向改为外花键齿；将与之配合的叶片轴的四个爪同样去除，在同样直径的地方，沿圆周方向改为内花键齿。

改进后削弱了之前左端盖四个爪集中受力程度，避免了四个爪R角过渡部位的应力集中，花键齿分散了受力的大小，增加了零件的强度极限。经过验证，按改进后的设计制造的零件再无失效现象发生。

案例3 离合器和牙嵌离合器断裂失效分析

（1）概况 某单位生产的离合器和牙嵌离合器在KM70煤炭自卸漏斗车上配套使用。离合器与牙嵌离合器配套外观形貌如图6-10所示。离合器与牙嵌离合器材料均为灰铸铁，在使用约半年时发生断裂，断裂率近10%。

（2）检查结果与分析

1）宏观检查发现，离合器的断裂位置如图6-11所示，在两个凸爪的根部，靠近内圈的断口两侧已严重锈蚀并有轻微磨损；牙嵌离合器的断裂位置如图6-12所示，在其轴向中部，断口为新鲜断口；两零件断面均为煤灰色且有结晶闪点，晶粒较粗，晶面有金属光泽，从断裂特征和断口形态分析，两零件均为脆性断裂。

2）化学成分分析结果表明，两零件化学成分均符合相关标准规定。

图6-10 离合器与牙嵌离合器配套外观形貌

3）离合器和牙嵌离合器室温拉伸试验和硬度试验结果见表6-1，从表中可以看出，离合器和牙嵌离合器的抗拉强度和断后伸长率较低。

图6-11 离合器的断裂位置

图6-12 牙嵌离合器的断裂位置

表6-1 离合器和牙嵌离合器室温拉伸试验和硬度试验结果

4）金相检查结果表明，两零件石墨组织形态均为片状石墨（A型）+少量块片状石墨（C型）+少量星状石墨（F型），如图6-13所示；基体组织为铁素体+少量珠光体。

图6-13 石墨组织形态

（3）讨论 由于两零件均为灰铸铁，且石墨形态大部分为粗大片状石墨，片状石墨的存在，割裂了金属基体组织，减少了承载的有效面积，综合力学性能降低，且在粗大片状石墨的边缘出现大量铁素体，对铸件的力学性能影响较大，降低了铸件的强度和硬度，易于脆裂，同时也降低了铸件的各种使用性能。石墨形态中还存在有少量星状石墨，该形状石墨是由于铁液在较大过冷度下形成的，属于不良的石墨形态，该种石墨形态降低了零件的使用性能。

另外，灰铸铁相对于球墨铸铁来说，灰铸铁组织里的石墨是以片状存在，球墨铸铁组织里的石墨是以球状存在，组织上的差别导致它们的性能也有巨大差异。灰铸铁强度、塑性低（片状石墨割裂基体，引起应力集中），脆性大；而球墨铸铁中的球形石墨对基体的割裂作用能降到最低，应力集中作用最小，故其强度很高，可以和中碳钢媲美，可以充分发挥基体的性能，且有一定的塑性和良好的韧性。

（4）结论 离合器和牙嵌离合器断裂是由于材质选用不当造成的。两零件均为灰铸铁并非球墨铸铁，且石墨形态大部分为粗大片状，导致其力学性能严重降低，这是两零件发生断裂的主要原因。