柴油裝船泵軸斷裂失效分析

朱泗穎(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516082)

1 概況

儲運部柴油裝船泵2009年投入使用，2020年1月發(fā)現(xiàn)軸發(fā)生斷裂，使用時間約11年。軸的材質為3Cr13鋼。斷裂部位接觸介質為L-TSA 46昆侖牌汽輪機油，軸的功率為75.5KW，轉速為2950r/min。

2 檢測分析

2.1 斷軸宏觀、低倍形貌分析

觀察發(fā)現(xiàn)，軸的表面光亮，腐蝕跡象輕微，軸在位于中間位置發(fā)生斷裂，如圖1所示。

圖1 斷裂軸宏觀形貌

如圖2所示，斷口表面宏觀形貌表明，軸的斷口比較光滑，幾乎沒有塑性變形痕跡，斷口表面上覆蓋少量黑色氧化產(chǎn)物。部分斷口表面已發(fā)生嚴重磨損，可能是在軸發(fā)生斷裂后未能及時取下，兩個斷口表面互相摩擦造成的。斷口上肉眼可見清晰的疲勞弧線和二次裂紋特征，這些均是疲勞斷裂的典型特征，而且可以看出可能存在多個疲勞裂紋源。

圖2 斷口表面宏觀形貌

2.2 斷口形貌分析

采用機械切割取樣，在體式顯微鏡下觀察斷口(圖2的左圖)形貌。從斷口上可以觀察到裂紋源有6個之多，均起源于軸的表面，如圖3所示。其中，肉眼清晰可見的2、5、6裂紋源，在體式顯微鏡下明顯可以看出以每個以疲勞源為圓心向外發(fā)散擴展而形成的弧形區(qū)。

圖3 多源疲勞形貌

圖4表示典型疲勞源的放大形貌，可以看出，裂紋起源于斷口外表面邊緣(疲勞源1、2、3、4)或亞表面(疲勞源5、6)，疲勞源3、4、5區(qū)交織在一起，互相重疊。裂紋起源區(qū)為一弧形或圓形區(qū)，擴展區(qū)形貌可見清晰的弧線。而裂紋擴展區(qū)又可以分為慢速擴展區(qū)和快速擴展區(qū)，緊挨裂紋起源區(qū)的慢速擴展區(qū)，疲勞形成弧線非常規(guī)則，間距和半徑都較小，而與之相比，距離裂紋起源區(qū)較遠的快速擴展區(qū)，疲勞形成的弧線相對不規(guī)則，間距和半徑都有明顯變大，直至弧線逐漸消失。

取軸的斷口試樣，在掃描電鏡下觀察斷口形貌。由圖7可見，斷口表面平整，裂紋起源于試樣表面。通過背散射形貌可清晰看出軸表面有鍍層存在。能譜分析表明，表面鍍層為鉻層。

表1 能譜檢測元素含量表

2.3 金相分析

取泵軸的橫截面樣品做金相分析，可以看出，泵軸基體材料的組織為回火索氏體，金相組織均勻細小。

圖4 典型疲勞源的形貌

圖5 斷口表面形貌及基體成分和鍍鉻層能譜分析

圖6 泵軸基體組織

在軸表面的鉻鍍層中可以觀察到存在很多開裂現(xiàn)象，這些表面的裂紋在疲勞斷裂過程中可以被作為疲勞裂紋源。

圖7 表面鍍鉻層形貌

3 分析與討論

3Cr13是馬氏體類型不銹鋼，該鋼機械加工性能好，經(jīng)熱處理(淬火回火)后，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、較高的強度和耐磨性，適宜制造承受高負荷、高耐磨及在腐蝕介質作用下的模具。

3Cr13軸是柴油裝船泵的重要部件，因此，在泵工作過程中，承受著交變的振動載荷作用。而這種交變的振動載荷有可能使軸發(fā)生疲勞。在制備加工過程中，為了提高軸的表面強度、硬度以及耐磨、耐腐蝕性能，在軸的工作表面鍍一層鉻。而鉻雖然堅硬、耐磨，但鍍鉻層具有比較脆的缺點，而且和許多金屬的結合性能也不好，鍍層也很容易剝落。所以表面鍍鉻層也會對軸的疲勞性能產(chǎn)生重要影響。

疲勞斷裂是軸類零部件的常見失效模式之一，一般發(fā)生疲勞斷裂的部位都是因為受到較大的交變工作載荷。疲勞失效的發(fā)生一般經(jīng)歷4個過程：(1)疲勞源的產(chǎn)生；(2)疲勞裂紋緩慢擴展；(3)疲勞裂紋快速擴展：最終瞬間快速斷裂。這4個過程可以從疲勞斷面很明顯的看出，見圖4、5。軸類疲勞斷裂和一般的零部件疲勞一樣，存在4個必要條件：(1)交變工作載荷；(2)高于疲勞極限的應力；(3)疲勞源；(4)材料的敏感性。而影響材料疲勞性能的因素很多，包括鋼的化學成分、冶金質量、表面處理狀態(tài)等。

有研究表明，零部件的脆性隨鍍鉻層的厚度增加而增加，因此，鍍鉻層的厚度越大，對零部件的威脅越大。圖3和圖4都表明，斷口表面上觀察到6個疲勞源，這些疲勞裂紋源均位于軸的外表面邊緣(鍍鉻層)或亞表面(鍍鉻層與基體界面)。這是由于在鍍鉻過程中，陰極產(chǎn)生的氫不僅會滲入鍍鉻層的晶格之間，而且部分氫會滲入金屬基體中，造成零部件氫脆。鍍層越厚，氫滲入基體越深，零部件的疲勞強度會因此大幅降低，疲勞斷裂的危險也隨之增大。因此，鍍鉻過程使得原本平滑的金屬表面變成多缺陷的鉻晶體表面(如圖6)，在交變載荷作用下，基體表面的缺陷在力的作用下產(chǎn)生微裂紋并向基體方向擴展成為疲勞斷裂的裂紋源，從而使疲勞強度降低；此外，多缺陷的鍍鉻層也改變了疲勞斷裂方式，使得疲勞斷口由單源區(qū)(或少源區(qū))變成了多個源區(qū)，疲勞裂紋由多個源向基體內(nèi)部擴展，縮短了部件斷裂的時間，等于加速了零部件的疲勞開裂。

4 結語

從上述分析結果可知，泵軸基體材料的組織為回火索氏體，金相組織均勻細小。泵軸表面的鉻鍍層中存在較多毛裂紋缺陷，這些表面的裂紋在載荷的作用下中形成疲勞裂紋源，導致泵軸發(fā)生多源疲勞斷裂。