在用運(yùn)行軸頭失效原因分析

唐國慶，蘇毅

（中國石油大慶石化公司檢測信息技術(shù)中心，黑龍江 大慶 163714）

某化工廠丙烯腈車間P-107B軸頭在使用6個(gè)月后發(fā)生斷裂，斷裂部位為軸變徑部位，材質(zhì)為316不銹鋼，在運(yùn)行過程中承受旋轉(zhuǎn)力。為查明斷裂原因，使用金相檢驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行了綜合分析。

1 檢驗(yàn)內(nèi)容

試件名稱：P-107B軸頭；材質(zhì)：316；檢驗(yàn)項(xiàng)目：失效分析；檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T13298-91；件數(shù)：1件。

腐蝕方法：王水；設(shè)備名稱：倒置式金相顯微鏡，掃描電子顯微鏡：奧林巴斯PME3S-3400N。

2 宏觀檢驗(yàn)

肉眼仔細(xì)觀察斷裂軸頭，發(fā)現(xiàn)該軸頭斷口平齊，斷口所在平面與軸向基本垂直，斷口無明顯塑性變形。斷口表面被1層黑色產(chǎn)物覆蓋，黑色產(chǎn)物與軸頭斷口結(jié)合較緊密，采用30%鹽酸水溶液清洗后，未將該產(chǎn)物清除。經(jīng)與甲方溝通，確認(rèn)該軸在酸性介質(zhì)中運(yùn)行，故采用20%NaOH水溶液清洗軸頭，將黑色產(chǎn)物清除后采用10倍放大鏡觀察，發(fā)現(xiàn)斷口存在明顯的斷裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)，在裂紋擴(kuò)展區(qū)表面可見宏觀疲勞條紋，見圖1。

圖1 開裂軸頭斷口宏觀形貌

3 掃描電鏡斷口分析

將斷裂軸頭制成掃描電鏡試樣，經(jīng)多次超聲波清洗后，將軸頭裝入掃描電子顯微鏡內(nèi)進(jìn)行高倍觀察，斷裂源區(qū)斷口較平滑，部分區(qū)域可見放射狀條紋，裂紋擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞輝紋，見圖2。

圖2 清洗后掃描電鏡下開裂部位及形貌（×2000）

裂紋擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)都可見典型的解理或準(zhǔn)解理形態(tài)特征。由于斷口表面已經(jīng)進(jìn)行酸、堿清洗，故無法對(duì)斷口表面進(jìn)行能譜分析。

4 微觀檢驗(yàn)

將軸采用機(jī)械加工的方法制成微觀金相試塊，經(jīng)過粗磨、多次細(xì)磨及拋光后制成微觀金相試樣，未腐蝕前上金相顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)軸頭金屬內(nèi)非金屬夾雜物較多，經(jīng)評(píng)定為2.5級(jí)，見圖3。

圖3 微觀金相試塊（×100）

在軸頭斷口邊緣仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)斷口邊緣存在較多2次裂紋，2次裂紋呈現(xiàn)疲勞特征，見圖4。

圖4 斷口處疲勞裂紋（×100）

將微觀金相試樣采用王水腐蝕后上金相顯微鏡觀察，軸頭組織為奧氏體，屬于正常316不銹鋼金相組織，見圖5。

圖5 金相組織奧氏體（×100）

5 化學(xué)成分分析及硬度檢驗(yàn)

采用直讀光譜儀對(duì)軸頭進(jìn)行化學(xué)成分分析，其主要化學(xué)成分有：Cr為17.03%，Ni為10.15%，Mo為2.34%，符合316不銹鋼化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)。

軸頭硬度為：HB157，HB160，HB161，硬度值符合316不銹鋼硬度標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)束語

根據(jù)失效軸頭斷口的宏觀及微觀分析所揭示的各種形態(tài)特征：斷口平齊；斷口所在平面與軸向基本垂直；斷口附近金屬無明顯塑性變形；斷口表面存在宏觀疲勞條紋；斷口微觀具有明顯的疲勞輝紋，存在典型的解理或準(zhǔn)解理形態(tài)特征；斷口邊緣存在帶有疲勞特征的2次裂紋，可以認(rèn)為，該軸頭在實(shí)際運(yùn)行過程中承受旋轉(zhuǎn)力，首先在易產(chǎn)生應(yīng)力集中部位形成裂紋源區(qū)，扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋則沿垂直于最大剪應(yīng)力方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致該軸在旋轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下發(fā)生的疲勞斷裂。

（1）斷裂可能與軸內(nèi)非金屬夾雜物較多有關(guān)。

（2）斷裂部位在變徑應(yīng)力集中部位，也會(huì)加速裂紋的萌生和擴(kuò)展。