自动扶梯销轴断裂失效分析

摘 要：本文通过对自动扶梯的断裂销轴和未断裂销轴进行化学成分分析、硬度检测、金相组织分析和断口分析，得出销轴的断裂失效模式。

关键词：自动扶梯销轴 断裂 硬度检测 失效分析

自动扶梯在日常生活中的使用非常普遍，因此一旦发生失效，会造成不同程度的人员伤害。笔者一方受某单位委托，对某自动手扶梯在下行过程中，其中一根销轴发生断裂的失效事故进行检测分析。从该自动手扶梯的技术规格书可知，断裂销轴材料为20CrMo钢；经调质热处理，硬度要求为60±2HRC；销轴材料的抗拉强度δb为400N/mm2。

委托单位要求笔者方对其断轴和另一根正常的未断轴进行化学成分分析、硬度检测、金相组织分析和断口分析，以确定断裂销轴是否符合相关质量标准和指出销轴的断裂失效模式。

一、送检样品的外观检查和现场分析

送检样品以及事故现场梯级链上销轴断口的外观形貌如图1所示。

图1为送检断轴的外观形貌。经测量，未断轴大头部分长约70mm，直径28.90mm，小头部分长约95mm，直径为14.82mm；断轴长约92mm，直径为14.80mm。销轴断裂部位发生在R位处。销轴小头一侧表面较光滑，但R位处或断口面处可见明显车刀痕。

根据自动手扶梯的结构，销轴大头部分通过过盈配合安装在梯级链上，即销轴在正常运行和断裂后均未发生转动。据此，通过对销轴的断口分析，可确定销轴断裂时的受力方向与销轴正常运行时的受力方向的关系。

二、失效分析及结果

1.化学成分分析

分别在断轴和未断轴中心钻屑取样，根据GB/T 20123-2006和GB/T 20125-2006，进行化学成分分析，检测结果如表1所示。表中同时列出GB标准（GB/T 3077-1999）20CrMo钢的标准成分，以供比较。

与现行产品标准成分含量相比，断轴和未断轴材料的化学成分均在GB标准20CrMo钢的标准成分范围之内；断轴和未断轴材料化学成分含量相似，应为同批次材料；销轴材料符合自动手扶梯销轴材料牌号的技术要求。

2.硬度检测

（1）表面和心部硬度检测（洛氏硬度）。根据GB/T 230.1-2009对销轴表面和心部进行硬度检测。表面硬度检测在销轴小头一侧圆柱面表面上进行；心部硬度检测在距销轴小头端部10mm处的横截面上进行，检测结果如表2所示。

由检测结果可见，销轴表面硬度符合销轴的硬度要求（60±2HRC）；销轴心部硬度为37.5～41.5HRC，根据GB/T1172-1999，其强度相当于1139～1289 N/mm2，高于销轴材料的强度要求（400 N/mm2）。

（2）表面硬化层硬度分布检测（维氏硬度）。由金相组织分析可知销轴表面经过渗碳处理，根据GB/T 4340.1-2009和GB/T 9450-2005，对销轴表面硬化层硬度分布进行检测。断轴检测部位为距销轴断口面20mm处横截面上，未断轴检测部位为小头一侧距R位10mm处横截面上。检测结果的数据绘制成的硬度分布曲线如图2所示。

根据GB/T 9450-2005，可知断轴的有效硬化层深度为870μm，未断轴的有效硬化层深度为890μm。断轴和未断轴渗碳层深度相似。

3.材料原始显微组织分析

根据GB/T 13298-1991，在试样上制取金相分析试样并进行材料显微组织分析。

（1）销轴小头一侧。在断轴小头一侧近断口面处制取径向和轴向金相分析试样。断轴心部径向金相组织为“板条状回火马氏体+贝氏体+少量游离铁素体”，存在带状组织偏析。断轴近表面组织属于渗碳组织，为“针状回火马氏体+少量残余奥氏体+少量碳化物”。

（2）销轴R位处。在未断轴R位处制取径向金相分析试样，在销轴R位圆弧段表面均存在内氧化组织，最大深度约为5μm；内氧化组织呈沿晶分布；在销轴光滑段未见内氧化组织，可能与销轴渗碳处理后经过磨削加工有关；销轴R位表面均未见脱碳和过热的热处理质量缺陷。内氧化组织是在渗碳处理时形成的，销轴R位处的内氧化组织将增加销轴的缺口敏感性。

4.断口分析

（1）宏观断口分析。为判断销轴的断裂方向与销轴正常运行时的受力方向之间的关系，把清洗前后的销轴断口面宏观形貌进行对比，由清洗后的断口面可见，销轴断裂源与销轴断口面上油污所处的部位一致。手扶梯正常运行时，处于下行状态的销轴R位处承受着与梯级运行方向相同的弯曲应力，根据销轴的初始断裂方向，可知销轴是在正常受力情况下发生断裂的。

断裂面未发现疲劳断口特征，断裂属于一次性断裂。

（2）微观断口分析。用扫描电镜（SEM）进一步观察断口形貌，开裂源区车刀痕明显，断口面与车刀痕方向平行，表明销轴断裂起源于车刀痕。开裂源区断口微观形貌主要为“解理断口+准解理断口+沿晶断口”，终断区断口微观形貌主要为“沿晶断口”，均为脆性断口。终断区的“沿晶断口”与销轴最后断裂时应变速率较快有关。

在开裂源区渗碳层的扩散区可见撕裂韧窝，该特征表明断口为撕裂型断裂，撕裂方向与宏观断口扩展方向一致。销轴心部断口微观特征主要为“解理断口+准解理断口+少量韧窝”，属于脆性断口特征。整个断裂面以脆性断口为主，占90%以上，表明材料脆性较大。

三、结论

第一，断轴材料化学成分符合GB标准20CrMo钢的化学成分要求。

第二，断轴材料表面硬度符合其产品技术要求，心部硬度高于其产品技术要求。

第三，断轴材料脆性较大，缺口敏感性高，在R位处存在内氧化及明显车刀痕等缺陷将增加销轴发生脆性开裂

倾向。

第四，断轴是在正常受力情况下的一次性断裂。

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（作者单位：广东省机械高级技工学校）