拖輪軸斷裂原因分析及質控建議

摘 要 通過對斷裂的拖輪軸進行應力分析、化學成分分析、力學性能分析、金相分析、掃描電鏡（SEM）及能譜分析，找出了拖輪軸斷裂的原因并提出了制造過程中的質控建議。

關鍵詞 拖輪軸 斷裂原因 質控建議

中圖分類號 TQ051.21 " 文獻標志碼 B " 文章編號 0254?6094（2024）04?0647?08

拖輪軸是一種載荷較大但沖擊不大的軸體，主要作用是緊配合拖輪以承載轉動設備的重量，若其在制造環節產生超標夾渣、微裂紋及氫原子未析出等性質缺陷，軸的力學性能將急速下降。在試運轉期間由于是空載運行，因此無法發現拖輪軸的缺陷和故障。但是當處于調試完成、投料使用環節時，拖輪軸若發生故障，其置換成本將成倍增長。為此，筆者通過對斷裂拖輪軸進行全面分析，提出拖輪軸制造過程中質量控制的合理化建議，從而提高軸體出廠性能，避免在化工裝置運行期間以高昂的成本更換拖輪軸。

1 拖輪軸現狀

某化工廠?4 700 mm干燥機空載試運行1天后發生故障，經現場工作人員檢查，發現是干燥機軸段中間部位拖輪軸處發生了斷裂，具體位置如圖1所示。托輪軸制造資料顯示，該軸材質40Cr，轉速20 r/min，斷裂處直徑630 mm，調質處理工藝為860 ℃/5 h油冷+510 ℃/10 h空冷。

拖輪軸斷口形貌如圖2所示。

2 拖輪軸應力分析

對拖輪軸進行應力分析（圖3）后發現，其斷裂處不存在應力集中現象，且不是最大應力位置，說明拖輪軸設計合理。同時，空載試運行過程中發生斷裂，也排除了拖輪軸受外載荷而斷裂的可能性。

3 試驗（分析）結果

3.1 宏觀檢查

由圖1、2可以看出，斷口垂直于軸向，整體較平整，無明顯塑性變形，邊緣存在擦傷痕跡。由于拖輪軸斷裂后保護不當，導致斷口表面覆蓋有褐色和黑色腐蝕產物，根據斷口形貌特點將其分為4個典型區域（圖2）。其中，1區靠近芯部，該區域較整體斷口呈凸起形貌，無明顯塑性變形，同時存在一處花枝狀花樣區域，其形貌不平整，且存在凹坑，為裂紋源區；2區為靠近軸邊緣的斷口區域，該區域形貌較為平整；3區及箭頭所示區域存在放射狀條紋，其收斂處指向1區，為裂紋擴展區（圖4a）；4區為瞬斷區，且存在二次裂紋，拖輪軸表面可見周向裂紋，長度約130 mm，如圖4b所示。

3.2 化學成分分析

化學成分分析結果見表1，可以看出，拖輪軸邊緣、1/2R處和芯部的碳含量偏高，均高于標準JB/T 6396—2006《大型合金結構鋼鍛件 技術條件》對40Cr材料的上限要求，其余元素含量符合標準要求。

3.3 力學性能分析

在拖輪軸1/3R、1/2R和芯部3處平行于軸向的位置上取樣并進行室溫拉伸試驗和沖擊試驗，結果見表2。可以看出，3個位置處試樣的抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率均符合標準JB/T 6396—2006對40Cr材料的要求；1/3R和芯部的沖擊功不滿足標準要求，1/2R處的沖擊功滿足標準要求。

3.4 金相分析

在斷口以下約3 mm處取金相試樣，分別編號為JX1、JX2、JX3，同時在遠離斷裂部位取JX1′（與JX1在同一軸線上），如圖5所示。

JX1′為遠離斷裂部位的試樣，可以看出，其軸表面未見擦傷，距表面約100 μm范圍內組織為索氏體+鐵素體，該層以下向芯部過渡區組織不均勻，為索氏體+鐵素體（局部成網狀沿晶分布），如圖6所示。

JX1試樣取樣于存在明顯擦傷痕跡的軸表面附近，其組織為索氏體+鐵素體及索氏體+鐵素體（局部成網狀沿晶分布），如圖7所示。

JX2、JX3試樣分別取樣于1/2R處和芯部，組織均為索氏體+鐵素體（局部成網狀沿晶分布），但1/2R處的鐵素體含量明顯多于芯部，具體情況如圖8所示。

根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜 物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》可知，金相組織中的夾雜物級別為C0.5e、D1.5、DS1。

3.5 拖輪軸斷口掃描電鏡及能譜分析

3.5.1 掃描電鏡分析

拖輪軸斷口掃描電鏡樣品取樣位置示意圖如圖9所示。

DJ1樣品掃描電鏡（SEM）形貌如圖10所示，可以看到裂紋源區即花枝狀花樣形貌區在低倍下呈沿晶開裂形貌，且存在大量的二次裂紋；高倍下可見多個準解理面，準解理面上可見準解理河流條紋，準解理面間存在撕裂嶺，同時存在雞爪狀和微孔形貌，且伴有少量韌窩狀形貌。

由圖11所示的DJ2樣品SEM形貌可以看到，DJ2樣品靠近表面區域存在擦傷痕跡，但無金屬斷裂特征，呈準解理河流狀花樣，同時存在孔洞形貌。

DJ3樣品取樣于芯部附近，斷口表面存在沿晶、準解理花樣、孔洞及雞爪狀形貌，如圖12所示。

DJ4、DJ5均取樣于二次裂紋面，呈準解理河流狀花樣，DJ5樣品表面以1\"區為中心呈現出放射狀花樣，1\"區發現了超標夾雜，兩樣品的SEM形貌如圖13、14所示。

對近表面軸向未腐蝕金相樣品進行掃描電鏡形貌分析（圖15），可見近表面附近存在大量的夾雜物，且夾雜物尖端明顯可見微裂紋，局部夾雜物形成的裂紋已相連形成臺階狀。

3.5.2 能譜分析

對斷口表面夾雜及拋光態樣品夾雜進行能譜分析，結果如圖16、表3所示，可以看出，夾雜物主要為氧化硅、氧化錳、氧化鋁及少量的硫化錳。

4 拖輪軸斷裂原因

根據第3節可知，拖輪軸設計合理，40Cr化學成分基本符合標準要求，但1/3R處和芯部的沖擊功不滿足標準要求。制造資料表明，拖輪軸經過調質熱處理，金相分析結果顯示其外表面組織為回火索氏體，1/2R和芯部組織為回火索氏體+鐵素體（少量成網狀），且存在大量微裂紋，表明其熱處理工藝不當。網狀鐵素體的產生原因為拖輪軸在奧氏體化溫度下保溫時間不足，導致鐵素體未完全融入奧氏體，最后以網狀形態殘留于室溫組織中，降低了晶界強度，使沖擊韌性降低；同時，保溫時間不足導致氫原子無法有效逸出，使氫原子在非金屬夾雜物、晶界、相界及微裂紋處陷落，進而萌生裂紋。

裂紋源區位于中心部位的花枝狀花樣區，掃描電鏡對該區進行形貌分析可見雞爪狀形貌、微孔、沿晶形貌及準解理河流花樣，為氫致開裂的典型特點。

5 結論及建議

通過對拖輪軸斷裂處進行應力分析、化學成分分析、力學性能分析、金相分析、掃描電鏡及能譜分析，得到以下結論：

a. 拖輪軸存在超標夾渣及微裂紋，導致力學性能下降。

b. 熱處理工藝不當，常溫下的網狀鐵素體組織使力學性能再次降低；大量氫原子在夾渣及微裂紋等部位陷落，萌生裂紋，在試運行過程中快速擴展斷裂。

針對拖輪軸斷裂原因，提出以下質控建議：

a. 按照JB/T 6396—2006標準要求控制拖輪軸原材料的夾雜物含量，嚴格執行熱處理工藝，不得縮短熱處理的保溫時間，保證氫原子逸出。

b. 機加工過程中，初車后按照設計要求必須進行超聲波檢測，不允許有微裂紋及超標缺陷存在。

（收稿日期：2023-09-19，修回日期：2024-07-10）