橡膠脫水擠出機螺桿軸斷裂失效分析

馬小明 湯 燕

(華南理工大學機械與汽車工程學院)

橡膠脫水擠出機螺桿軸斷裂失效分析

馬小明*湯 燕

(華南理工大學機械與汽車工程學院)

針對某擠出機螺桿軸斷裂的問題進行斷口宏微觀觀察、化學成分分析、材料金相組織檢查、硬度檢測和力學性能測試。結果表明：由于0Cr13材料承受交變載荷作用，裂紋從靠近邊緣的夾孔處擴展，軸材料中大量呈網狀分布的鐵素體使螺桿軸的塑性指標低于技術要求，抵抗脆性斷裂的能力嚴重下降從而引起螺桿軸疲勞斷裂。

擠出機 螺桿軸 疲勞斷裂 失效分析

某石油化工機械廠的一臺橡膠脫水擠出機螺桿軸在工作一段時間后，在軸肩變徑處螺紋起始端的小直徑截面上，沿徑向發生斷裂，斷口直徑為140mm。造成軸類零件發生疲勞斷裂的原因通常是材料的缺陷和存在有應力集中的軸肩、退刀槽、鍵槽，或設計不合理、裝配不當[1]。該擠出機螺桿軸材料是0Cr13，屬于耐酸不銹鋼，是鐵素體不銹鋼中含鉻量較低的一種。具有良好的塑、韌性和冷成型性，而且優于含Cr量更高的其他鐵素體不銹鋼，其金相組織特征為鐵素體-馬氏體。主要用于汽輪機葉片、結構架、不銹設備、襯里、螺栓及螺帽等。

為分析螺桿軸斷裂失效的原因，筆者采用金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等設備對斷裂失效的螺桿軸的宏觀斷裂特征、軸材料化學成分、裂紋和斷口形貌進行觀察與分析，并按照相關國家標準，采用力學實驗機對螺桿試樣的拉伸、沖擊及硬度等力學性能進行檢測。確定了螺桿軸斷裂的性質為疲勞斷裂，分析引起螺桿軸斷裂的主要原因，提出預防的具體措施，以免類似事故再次發生。

1 螺桿軸斷口的宏微觀形貌

1.1斷口宏觀形貌

該擠出機軸斷口的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：擠出機軸斷口截面可以觀察到裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區3個區域[2]；在軸的表面涂有一層防護層，防護層有脫落的跡象；裂紋起源點在軸肩變徑處螺紋起始端的小直徑截面上最外端與涂層結合處；軸起始端螺紋的根部與軸的主體間存在裂縫。裂紋起源于構件的缺陷部位，在輸出軸螺紋起始端截面的最大直徑處受到的交變剪切應力最大[3]，在此位置上的缺陷最易成為裂紋源點。

a. 斷口截面

b. 起裂源處

c. 螺紋根部

1.2斷口微觀形貌

采用HITACHI-S3700型掃描電鏡對斷口進行微觀觀察。在斷口裂紋源區(圖2)發現少量直徑約為32.5μm的微孔，微孔周圍存在裂紋。斷口裂紋源區在低倍數下可觀察到一些微裂紋，裂紋起源于防護層與軸的結合處，一條主裂紋從軸的邊緣延伸向軸心，在主裂紋上又出現幾條二次裂紋形貌(圖3)。斷口裂紋源區在高倍數下可觀察到疲勞輝紋(圖4)。

2 材料成分檢測與顯微組織觀察

2.1化學成分檢測

從斷裂螺桿軸的斷口部位制取試樣進行化學成分分析，結果見表1，可以看出其化學成分符合0Cr13鋼的標準要求。

a. 孔洞和裂紋

b. 孔洞

圖3 二次裂紋形貌

圖4 疲勞輝紋形貌

表1 螺桿軸的化學成分 wt%

2.2金相組織觀察

在軸斷面的不同部位制取金相試樣，經磨拋腐蝕后，采用DMM-400C型光學顯微鏡進行金相組織觀察。螺桿軸螺紋根部、軸向面和徑向面的金相組織分別如圖5～7所示。螺桿軸金相組織基體為白色的鐵素體，在鐵素體間存在回火索氏體[4]；螺桿軸橫向面金相的鐵素體呈長條與塊狀分布，縱向面金相的鐵素體呈網狀分布；軸上螺紋材料[5]與軸材料不同，螺槽起始端處與軸間存在微觀裂紋。

圖5 螺桿軸螺紋根部的金相組織

圖6 螺桿軸軸向面的金相組織

圖7 螺桿軸徑向面的金相組織

3 軸材料的硬度及力學性能

3.1硬度檢測

采用MVC-1000D1型顯微硬度計對軸斷面從邊緣開始沿半徑向軸心進行顯微硬度測試，結果見表2。由表2可知，軸斷面上各個部位的硬度值相差不大，平均硬度值為285.11HV(約為布式硬度271HB)。0Cr13材料標準硬度值不大于183HB，說明斷裂的螺桿軸具有足夠高的硬度，需要進一步對材料強度、韌性、塑性進行測試。

表2 螺桿軸的硬度測試結果 HV

3.2力學性能測試

采用WAW-500C型微機控制電液伺服萬能試驗機和ZBW-300J型金屬擺錘沖擊試驗機，分別對斷裂螺桿軸進行拉伸和沖擊測試，結果見表3、4。由表3可知，擠出機螺桿軸的抗拉強度σb符合技術要求，但螺桿軸的屈服強度σ0.2不符合標準。斷后伸長率δ和斷后收縮率ψ分別比技術要求低了約9%和15%。由表4可知，軸的軸向沖擊韌性比徑向沖擊韌性稍好一些，相差不多。但不論是徑向沖擊韌性還是軸向沖擊韌性，其值都比較小。

表3 拉伸測試結果

表4 沖擊測試結果

4 螺桿軸斷裂原因分析

4.1力學分析

橡膠脫水擠出機螺桿軸發生斷裂的螺桿軸，最大擠出功率P=45kW，運行轉速n=25r/min，螺桿有效長度l=8m，螺桿直徑D=140mm，機筒直徑D0=180mm。通過分別計算其壓應力、剪應力和彎曲應力的值，根據第三強度理論將軸端口截面上的點受到的總應力與許用疲勞極限進行比較得出結論。

擠出機機頭壓力對螺桿形成的軸向力F在螺桿斷面上引起壓應力σy為：

式中F——軸向力，為機頭壓力p與機筒截面積的乘積；

p——機頭壓力，MPa，取p=30MPa。

扭矩產生的剪切應力τ為：

式中Mk——螺桿的軸斷口面扭矩，N·m；

n——螺桿轉速，r/min；

P——主電機最大功率，kW；

Wn——軸斷面的抗扭截面模量，mm3；

η——機械傳動效率，取η=0.9。

螺桿與傳動軸為剛性連接，故螺桿斷面有自重產生的彎應力σw：

式中G——螺桿自重；

g——重力加速度，m/s2；

l——螺桿有效長度，m；

Mw——螺桿彎矩為Gl/2;

ρ——0Cr13的密度，ρ=7750kg/m3。

根據第三強度理論[6]，螺桿的總應力σ為：

0Cr13的疲勞強度確定公式為：

σ-1=0.385σb+94=396.28MPa

式中n——安全系數，n=2.5；

σ-1——材料的疲勞極限[7]，MPa；

[σ]——許用疲勞極限；

σb——材料的抗拉強度。

σ=188.07MPa>[σ]=158.21MPa

4.2斷裂原因綜合分析

螺桿軸斷口呈典型的疲勞斷裂特征，宏觀可見明顯的裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區，微觀可見疲勞輝紋特征，疲勞裂紋起源于軸肩變徑處螺紋起始端的小直徑截面上的最外端與涂層結合處。此處受到的交變剪切應力最大，結合處的缺陷容易先產生裂紋并擴展。通過力學分析計算也進一步確定，軸端口截面上的點受到的總應力超過許用疲勞極限，在長期反復作用后，螺桿軸易發生疲勞斷裂。由以上分析判斷，該螺桿軸的斷裂性質為疲勞斷裂。

擠出機螺桿軸的熱處理工藝為調質處理，0Cr13鋼經淬火加高溫回火后得到回火索氏體。而金相觀察結果表明，螺桿軸的顯微組織中存在大量的粗大網狀鐵素體。而從沖擊測試后的斷面可以看出，整個斷面沒有出現纖維區和剪切唇區，均為準解理特征，屬于脆性斷裂特征，軸的沖擊韌性較差。加熱溫度、保溫時間及冷卻速度等方面的控制問題導致了大量粗大網狀鐵素體的析出，這將降低材料的力學性能，尤其是塑性指標。而從拉伸測試也可得出擠出機螺桿軸的屈服強度不符合技術要求，斷后伸長率和斷后收縮率也低于技術要求的下限。因此，螺桿軸在使用過程中抵抗脆性斷裂的能力嚴重下降，螺桿軸發生斷裂而失效。

5 結論

5.1螺桿軸斷口呈典型的疲勞斷裂特征，宏觀可見明顯的裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區，微觀可見疲勞輝紋特征。

5.2螺桿軸的斷口裂紋源區存在少量疏松孔洞和微裂紋，表明螺桿軸存在冶金缺陷，裂紋是由軸外緣擴展至軸心方向，表明疲勞源是位于軸邊緣涂層材料與軸材料的應力集中區域；軸螺紋起始端的小直徑邊緣受到的剪切應力最大，是螺桿軸容易出現失效的位置。

5.3螺桿軸的各化學成分含量符合標準，抗拉強度足夠大，軸在正常工作的情況下，很難在外力作用下直接斷裂，這間接說明軸是在低應力水平條件下經過長時間周期作用造成的斷裂。

5.4疲勞斷裂作為構件主要的失效方式是很難防止的，應定期對螺桿軸應力集中區域進行無損檢測檢驗。

5.5在螺桿軸的關鍵部位(如：軸肩、小軸徑處、應力最高處)應加強定期檢測檢驗，做好熱處理，防止夾渣、孔洞的出現。

5.6加強質量檢驗，嚴格控制熱處理工藝，消除殘余應力，防止固相生成，確保軸的綜合機械性能，特別是塑性指標。

[1] 馬小明，伍聶修. 煉油廠減速器輸入軸斷裂失效分析[J]. 熱加工工藝，2011，40(14)：186～188.

[2] 廖景娛. 金屬構件失效分析[M].北京：化學工業出版社，2011：50～108.

[3] 何庭蕙，黃小清，陸麗芳. 工程力學[M].廣州：華南理工大學出版社，2007：75～171.

[4] 任頌贊，張靜江，陳質如，等. 鋼鐵金相圖譜[M].上海：上海科學技術文獻出版社，2003：296.

[5] 戚怡群. 擠塑機螺紋塊的材料分析[J]. 塑料科技，1992，40(5)：51～54.

[6] 馮廷瑞. 螺桿疲勞強度計算[J]. 北京化工學院學報，1989，16(1)：2～4.

[7] 機械工程手冊編輯委員會. 機械工程手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.

*馬小明，男，1962年6月生，副教授。廣東省廣州市，510640。

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0254-6094(2015)01-0129-05

2014-06-25，

2014-07-09)