球墨鑄鐵QT500-7空壓機軸異常斷裂失效分析

修大鵬,張素卿,周吉學,楊院生,韓青有

(山東省科學院新材料研究所,山東省輕質高強金屬材料重點實驗室,山東 濟南 250014)

【新材料】

球墨鑄鐵QT500-7空壓機軸異常斷裂失效分析

修大鵬,張素卿,周吉學,楊院生,韓青有

(山東省科學院新材料研究所,山東省輕質高強金屬材料重點實驗室,山東 濟南 250014)

通過掃描電鏡對球墨鑄鐵QT500-7空壓機軸的斷口形貌、石墨形態和顯微組織等進行觀察，發現軸的斷裂模式為疲勞斷裂，球化不良、石墨漂浮和晶粒粗大等缺陷是造成異常斷裂的主要原因。另外，在軸鍵槽的接刀痕處和軸螺紋根部產生應力集中也會在服役過程中誘發多源啟裂，導致其發生脆性斷裂失效。研究認為，應采取加強爐前檢測與金相理化分析、合理設計軸件結構、避免在軸上高載荷區切制螺紋等預防改進措施，保證球墨鑄鐵軸的質量。

球墨鑄鐵；疲勞斷裂；應力集中；球化不良

軸類零件作為空壓機設備中必不可少的關鍵部件，其工作狀況復雜，受到剪力、扭矩等因素的綜合影響，失效事故時有發生，往往造成嚴重事故和經濟損失，質量缺陷、疲勞斷裂、磨損腐蝕和塑性變形等是其較常見的失效形式[1]。導致空壓機軸斷裂失效的原因復雜多樣，僅僅采用頻繁更換斷裂軸的方法無法從根本上解決此問題[2]。因此，采用掃描電鏡等儀器從宏觀和微觀角度分析空壓機軸的斷裂失效原因，是從根本上解決機軸斷裂失效的一種有效手段[3]。

本文通過對某廠材質為球墨鑄鐵QT500-7的斷裂軸進行斷口形貌檢查、石墨形態分析及顯微組織檢測，進行失效分析，尋找失效原因，并提出預防改進措施。

1 儀器與材料

試驗用儀器為SNE-3000MB掃描電子顯微鏡(韓國賽可有限公司)。試驗用空壓機軸材質為球墨鑄鐵QT500-7，其化學成分如表1所示。

表1 QT500-7的化學成分

2 方法與結論

2.1 斷口宏觀分析

斷裂軸的實物照片如圖1所示，軸一側開有鍵槽，軸內部空心，一端攻有螺紋，通過鍵等連接來傳遞載荷。軸在中間兩處斷裂為a、b、c 三部分斷面，而斷面c又斷裂為c1和c2兩部分。通過圖1可以看出，斷面c裂紋啟裂于內螺紋根部，在扭轉載荷作用下，斷口的開裂方向與軸向大致成45°角并擴展，裂紋擴展區無剪切唇，表明其不能承受載荷時突然發生斷裂。從圖1c斷面的c1、c2兩部分斷面可以看出，裂紋起源于軸鍵槽接刀痕處，裂紋擴展區亦無剪切唇，斷口走向很正，破斷面呈螺旋狀。觀察宏觀斷口特征，兩斷口均呈黑色，無金屬光澤，斷口有石墨脫落痕跡，均無明顯塑性變形，斷面存在較光亮磨損痕跡、具有拉壓應力導致的表面磨損，表明斷裂時承受載荷較高，初步判定為扭轉疲勞脆性斷裂。

圖1 軸斷口宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the shaft fracture surface

2.2 顯微掃描電鏡分析

取圖1斷軸c的c1、c2兩部分碎塊，用酒精浸泡后，再用超聲振蕩清洗5 min，取出吹干，分別在掃描電鏡下觀察。軸斷口的微觀形貌如圖2所示，可見斷口晶粒粗大，晶粒表面平整，石墨斷裂脫落后留下的孔洞深且明顯，局部區域有石墨聚集現象(圖2a)，且石墨形狀不規則，大量顯微裂紋沿晶界擴展，進一步判定為沿晶脆性斷裂[4]。

圖2 軸斷口微觀形貌Fig.2 Micrographs of the shaft fracture surface

取圖1中間斷軸b碎塊，手工切平，磨制拋光后在掃描電鏡下觀察。如圖3所示，該軸所用球墨鑄鐵的石墨形態為開花狀、團絮狀、厚片狀，另有少數球狀。根據GB/T 9441—2009 球墨鑄鐵金相檢驗[5]可判定球化率小于50%，球化級別6級。表明該球墨鑄鐵件球化不良，并且有明顯的石墨漂浮現象。石墨聚集分布，密集成串，易脫落，嚴重割裂金屬基體組織，導致力學性能較差。

圖3 斷裂軸的石墨形態Fig.3 Graphite morphology of the fractured shaft

將上述斷軸碎塊的拋光試樣用體積分數4%的硝酸酒精腐蝕后，在掃描電鏡下觀察斷軸的顯微組織，如圖4所示。圖4a顯示斷軸的顯微組織由大塊鐵素體和少量珠光體構成，按照GB/T 9441—2009，測定珠光體含量小于25%。圖4b中珠光體的層片結構清晰可見，晶粒粗大，晶界未發現網狀磷共晶或其他晶界致脆物。鐵素體晶粒晶界處，粗大畸形的石墨密集分布，不僅造成組織松散，而且表明碳的擴散距離較短，導致石墨周圍出現大塊的純鐵素體組織，這種缺陷使球墨鑄鐵力學性能惡化，強度急劇下降[6]。

圖4 斷裂軸的顯微組織Fig.4 Micro-structure of the fractured shaft

2.3 扭轉圓軸應力分析

當圓軸受到扭矩載荷T作用時，截面邊緣處的剪應力τ最大。

(1)

對空心軸，抗扭截面系數Wt可表示為

(2)

其中，R為軸的外半徑，r為內半徑，α=r/R。從圖5a可計算得到空心軸截面剪應力τ：

(3)

圓軸受扭時內部各點處于平面應力狀態。此時，主平面的主應力σ可通過剪應力來表示：

(4)

當斷面與軸向呈±45°角時，σx=σy=0， 純剪切下的兩個主應力相等：σmax=τ，σmin=-τ，但一為拉應力，一為壓應力。球磨鑄鐵圓軸扭轉時承受扭轉應力，最大拉應力與軸向成45°，相應裂紋源分別沿45°斜側方向擴展，軸件在最大拉應力作用下沿45°方向拉斷而破壞，如圖5b所示。

圖5 扭轉圓軸的應力狀態Fig.5 Stress state of torqued circular shaft

圓軸純扭矩運動時彈性應力分布表面最大，正常情況下裂紋應從表面萌生，向內部擴展至斷裂[5]。而實際應用中軸往往加工出鍵槽等結構，加工過程中會產生各種缺口，如鍵槽和螺紋的加工相當于產生了尖形缺口，缺口尖端附近的應力場強度因子達到很高水平，造成局部應力集中而改變軸的應力分布，導致最大應力點不再發生在軸的外緣，而可能位于加工所造成的尖角或刀痕處。

2.3 結論

通過斷軸宏觀斷口、微觀斷口及顯微組織檢測發現，該軸破斷點始于螺紋根部和鍵槽接刀痕處，斷面呈沿晶斷口形貌，無明顯塑性變形，這是因為鍵槽、螺紋的加工破壞了基體組織連續性，尖角或刀痕處局部因缺口效應形成應力集中，軸在運轉過程中于應力集中處萌生裂紋，應力集中越嚴重裂紋產生越早[7]。同時斷裂軸因存在材質球化不良等組織缺陷，造成畸形石墨較多，畸形石墨聚集分布，破壞了基體的連續性，強度和塑韌性弱化，直接降低了斷裂軸的力學性能，造成軸的有效承載面積迅速減小至不能承受載荷而突然開裂，多源裂紋沿石墨界面和基體晶界快速擴展，這是造成該軸脆性斷裂的主要原因。

3 預防措施

(1)要保證球墨鑄鐵件的質量。除對球化和孕育處理嚴格控制外，一方面要對鑄造澆注溫度、冷卻溫度和停留時間等環節嚴格控制；另一方面在生產時需注意澆冒口、澆注位置的改進，防止鐵液氧化[8]，以獲得球化良好、均勻的石墨和優良的基體組織；最后，要加強爐前檢測與金相理化分析，以保證球墨鑄鐵軸的質量。

(2)在鍵與軸的配合件中，交變扭轉多經過鍵來傳遞，鍵槽等軸上的縱向溝槽易引起應力集中。為減少應力集中，應合理計算鍵槽根部的過渡圓角值，加工時避免刀痕過深[9]，在軸上切制螺紋應盡量避免在高載荷區加工，對于加工產生的毛刺應予以清除，以減少裂紋啟裂機率并抑制裂紋快速擴展。

[1]李源昊.空壓機曲軸加工工藝改進探究[J].南方農機,2017(2):35.

[2]張瑜，徐勇，吳軍，等.45鋼軸的疲勞斷裂分析[J].失效分析與預防,2017，12(2):126-129.

[3]鄒國慶.車用空壓機軸瓦的設計和失效分析[J].內燃機與配給,2013(6):32-36．

[4]顏婧,馮繼軍,張鑫明，等.某空壓機曲軸斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(12):884-887.

[5]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T 9441—2009 球墨鑄鐵金相檢驗[S]. 北京：中國標準出版社, 2009 .

[6]張斌，胡小華，向業.轉軸裂紋失效分析[J].金屬制品,2017,43(1):55-59.

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[8]聶小武.實用鑄件缺陷分析及對策實例[M]. 沈陽: 遼寧科學技術出版社, 2010：63-68.

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FailureanalysisforabnormalfractureofnodularcastironQT500-7aircompressorshaft

XIUDa-peng,ZHANGSu-qing,ZHOUJi-xue，YANGYuan-sheng，HANQing-you

(ShandongProvincialKeyLaboratoryforHighStrengthLightweightMetallicMaterials,AdvancedMaterialsResearchInstitute，ShandongAcademyofSciences,Jinan250014,China)

∶Through scanning electron microscopy, the fracture morphology, graphite morphology and microstructure of the nodular cast iron QT500-7 air compressor shaft were observed. The results indicated that the fracture mode of this shaft belonged to fatigue fracture, and such defects as abnormal nodularizing, floating of graphite and the coarse grains were the important factors causing the abnormal fracture. In addition, the stress concentration near the keyway point and thread root could also initiate the multi-source crack in service, leading to the brittle fracture failure. Therefore, this paper proposed that preventive measures should be strengthened such as furnace examination and metallographic analysis, reasonable shaft structure and avoiding cutting thread in high load area on shaft to ensure the quality of nodular cast iron shaft.

∶nodular cast iron; fatigue fracture; stress concentration; abnormal nodularizing

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.007

2017-04-10

修大鵬(1981—)，男，助理研究員，研究方向金屬材料或無機非金屬材料在各領域內的應用。E-mail:xiudapeng@126.com

TG255

A

1002-4026(2017)06-0041-04