304不銹鋼軸斷裂失效分析

胡 佳

（寧波鎮(zhèn)海煉化利安德化學(xué)有限公司，浙江寧波 315200）

1 屏蔽泵斷軸

某企業(yè)中屏蔽泵P 輸送50%堿液，為裝置關(guān)鍵泵。其流量為5.3 m3/h，揚(yáng)程150 m，操作壓力2.5 MPa，轉(zhuǎn)軸材料為304 不銹鋼。

該屏蔽泵在正常運(yùn)行過程中，在毫無征兆的情況下軸向竄動突然報警。觀察趨勢圖，可以明顯地看出軸竄量有一個突變（圖1）。

解體檢查，該軸斷口起裂處（裂紋源）位于軸徑Φ28 mm 與Φ33 mm 過渡機(jī)加工臺階處，裂紋源處于肉眼可見的明顯車銷加工刀痕，形成應(yīng)力集中區(qū)域；斷口存在疲勞擴(kuò)展臺階，表面多處有摩擦擠壓痕跡，斷口平齊呈銀灰色，具有脆性疲勞開裂特征。

起裂處位于軸徑過渡機(jī)加工臺階應(yīng)力集中處，失效驅(qū)動軸宏觀形貌如圖2 所示。

2 304 不銹鋼斷裂機(jī)理分析研究

2.1 成分檢測

對該軸的基體304 不銹鋼材料進(jìn)行化學(xué)元素成分檢測，相關(guān)結(jié)果見表1。

圖1 軸向竄動突然報警

經(jīng)檢測材質(zhì)合格，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對304 不銹鋼的要求。

圖2 斷裂軸和裂紋位置的宏觀形貌

表1 304 不銹鋼化學(xué)元素分析 %

基體的非金屬夾雜物評級結(jié)果為，無脆性夾雜物、塑性夾雜物，點狀不變性夾雜物的夾雜物級別為0.5 級（圖3）。依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》，軸基體的非金屬夾雜物評級符合要求。

圖3 非金屬夾雜物檢測結(jié)果

2.2 金相組織分析

母材金相組織為單相奧氏體，金相組織合格（圖4）。

圖4 母材金相組織為單相奧氏體

2.3 力學(xué)性能測試

將軸基本取樣加工成的拉伸試棒，在力學(xué)拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行檢測（表2），測試結(jié)果符合304 鋼標(biāo)準(zhǔn)要求，力學(xué)性能合格。

2.4 斷口掃描電鏡分析

疲勞源區(qū)呈疲勞擠壓痕跡，存在明顯的機(jī)加工臺階痕跡（圖5）。

由掃描電鏡分析可知：斷口呈快速疲勞脆性開裂，存在著疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。斷口疲勞源（起裂處）呈快速拉斷開裂擠壓特征，疲勞擴(kuò)展區(qū)掃描電鏡形貌存在疲勞擠壓輝紋。疲勞源位于軸徑變化臺階機(jī)加工應(yīng)力集中處，機(jī)加工痕跡所形成的應(yīng)力集中，是造成其早期開裂形成疲勞源的主要原因。

表2 力學(xué)性能測試結(jié)果

圖5 斷口起裂處掃描電鏡低倍形貌

3 結(jié)論

（1）根據(jù)上述分析可知，斷裂軸的化學(xué)成分為304 不銹鋼，材質(zhì)合格。基本非金屬雜物、母材金相組織、力學(xué)性能等均符合不銹鋼要求。

（2）軸斷裂形式為疲勞開裂，疲勞源位于軸徑變化臺階機(jī)加工應(yīng)力集中處，機(jī)加工痕跡所形成的應(yīng)力集中是造成其早期開裂形成疲勞源的主要原因。

（3）建議機(jī)泵生產(chǎn)廠家改善機(jī)加工工藝：在軸徑變化臺階處進(jìn)行機(jī)加工時，盡量消除機(jī)加工痕跡，提高表面光潔度；可以采用圓角過渡，防止造成應(yīng)力集中。