馬小明 湯 燕

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院)

橡膠脫水?dāng)D出機(jī)螺桿軸斷裂失效分析

馬小明*湯 燕

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院)

針對某擠出機(jī)螺桿軸斷裂的問題進(jìn)行斷口宏微觀觀察、化學(xué)成分分析、材料金相組織檢查、硬度檢測和力學(xué)性能測試。結(jié)果表明：由于0Cr13材料承受交變載荷作用，裂紋從靠近邊緣的夾孔處擴(kuò)展，軸材料中大量呈網(wǎng)狀分布的鐵素體使螺桿軸的塑性指標(biāo)低于技術(shù)要求，抵抗脆性斷裂的能力嚴(yán)重下降從而引起螺桿軸疲勞斷裂。

擠出機(jī) 螺桿軸 疲勞斷裂 失效分析

某石油化工機(jī)械廠的一臺橡膠脫水?dāng)D出機(jī)螺桿軸在工作一段時間后，在軸肩變徑處螺紋起始端的小直徑截面上，沿徑向發(fā)生斷裂，斷口直徑為140mm。造成軸類零件發(fā)生疲勞斷裂的原因通常是材料的缺陷和存在有應(yīng)力集中的軸肩、退刀槽、鍵槽，或設(shè)計不合理、裝配不當(dāng)[1]。該擠出機(jī)螺桿軸材料是0Cr13，屬于耐酸不銹鋼，是鐵素體不銹鋼中含鉻量較低的一種。具有良好的塑、韌性和冷成型性，而且優(yōu)于含Cr量更高的其他鐵素體不銹鋼，其金相組織特征為鐵素體-馬氏體。主要用于汽輪機(jī)葉片、結(jié)構(gòu)架、不銹設(shè)備、襯里、螺栓及螺帽等。

為分析螺桿軸斷裂失效的原因，筆者采用金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等設(shè)備對斷裂失效的螺桿軸的宏觀斷裂特征、軸材料化學(xué)成分、裂紋和斷口形貌進(jìn)行觀察與分析，并按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，采用力學(xué)實驗機(jī)對螺桿試樣的拉伸、沖擊及硬度等力學(xué)性能進(jìn)行檢測。確定了螺桿軸斷裂的性質(zhì)為疲勞斷裂，分析引起螺桿軸斷裂的主要原因，提出預(yù)防的具體措施，以免類似事故再次發(fā)生。

1 螺桿軸斷口的宏微觀形貌

1.1斷口宏觀形貌

該擠出機(jī)軸斷口的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：擠出機(jī)軸斷口截面可以觀察到裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3個區(qū)域[2]；在軸的表面涂有一層防護(hù)層，防護(hù)層有脫落的跡象；裂紋起源點在軸肩變徑處螺紋起始端的小直徑截面上最外端與涂層結(jié)合處；軸起始端螺紋的根部與軸的主體間存在裂縫。裂紋起源于構(gòu)件的缺陷部位，在輸出軸螺紋起始端截面的最大直徑處受到的交變剪切應(yīng)力最大[3]，在此位置上的缺陷最易成為裂紋源點。

a. 斷口截面

b. 起裂源處

c. 螺紋根部

1.2斷口微觀形貌

采用HITACHI-S3700型掃描電鏡對斷口進(jìn)行微觀觀察。在斷口裂紋源區(qū)(圖2)發(fā)現(xiàn)少量直徑約為32.5μm的微孔，微孔周圍存在裂紋。斷口裂紋源區(qū)在低倍數(shù)下可觀察到一些微裂紋，裂紋起源于防護(hù)層與軸的結(jié)合處，一條主裂紋從軸的邊緣延伸向軸心，在主裂紋上又出現(xiàn)幾條二次裂紋形貌(圖3)。斷口裂紋源區(qū)在高倍數(shù)下可觀察到疲勞輝紋(圖4)。

2 材料成分檢測與顯微組織觀察

2.1化學(xué)成分檢測

從斷裂螺桿軸的斷口部位制取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可以看出其化學(xué)成分符合0Cr13鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

a. 孔洞和裂紋

b. 孔洞

圖3 二次裂紋形貌

圖4 疲勞輝紋形貌

表1 螺桿軸的化學(xué)成分 wt%

2.2金相組織觀察

在軸斷面的不同部位制取金相試樣，經(jīng)磨拋腐蝕后，采用DMM-400C型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察。螺桿軸螺紋根部、軸向面和徑向面的金相組織分別如圖5～7所示。螺桿軸金相組織基體為白色的鐵素體，在鐵素體間存在回火索氏體[4]；螺桿軸橫向面金相的鐵素體呈長條與塊狀分布，縱向面金相的鐵素體呈網(wǎng)狀分布；軸上螺紋材料[5]與軸材料不同，螺槽起始端處與軸間存在微觀裂紋。

圖5 螺桿軸螺紋根部的金相組織

圖6 螺桿軸軸向面的金相組織

圖7 螺桿軸徑向面的金相組織

3 軸材料的硬度及力學(xué)性能

3.1硬度檢測

采用MVC-1000D1型顯微硬度計對軸斷面從邊緣開始沿半徑向軸心進(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果見表2。由表2可知，軸斷面上各個部位的硬度值相差不大，平均硬度值為285.11HV(約為布式硬度271HB)。0Cr13材料標(biāo)準(zhǔn)硬度值不大于183HB，說明斷裂的螺桿軸具有足夠高的硬度，需要進(jìn)一步對材料強(qiáng)度、韌性、塑性進(jìn)行測試。

表2 螺桿軸的硬度測試結(jié)果 HV

3.2力學(xué)性能測試

采用WAW-500C型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)和ZBW-300J型金屬擺錘沖擊試驗機(jī)，分別對斷裂螺桿軸進(jìn)行拉伸和沖擊測試，結(jié)果見表3、4。由表3可知，擠出機(jī)螺桿軸的抗拉強(qiáng)度σb符合技術(shù)要求，但螺桿軸的屈服強(qiáng)度σ0.2不符合標(biāo)準(zhǔn)。斷后伸長率δ和斷后收縮率ψ分別比技術(shù)要求低了約9%和15%。由表4可知，軸的軸向沖擊韌性比徑向沖擊韌性稍好一些，相差不多。但不論是徑向沖擊韌性還是軸向沖擊韌性，其值都比較小。

表3 拉伸測試結(jié)果

表4 沖擊測試結(jié)果

4 螺桿軸斷裂原因分析

4.1力學(xué)分析

橡膠脫水?dāng)D出機(jī)螺桿軸發(fā)生斷裂的螺桿軸，最大擠出功率P=45kW，運行轉(zhuǎn)速n=25r/min，螺桿有效長度l=8m，螺桿直徑D=140mm，機(jī)筒直徑D0=180mm。通過分別計算其壓應(yīng)力、剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的值，根據(jù)第三強(qiáng)度理論將軸端口截面上的點受到的總應(yīng)力與許用疲勞極限進(jìn)行比較得出結(jié)論。

擠出機(jī)機(jī)頭壓力對螺桿形成的軸向力F在螺桿斷面上引起壓應(yīng)力σy為：

式中F——軸向力，為機(jī)頭壓力p與機(jī)筒截面積的乘積；

p——機(jī)頭壓力，MPa，取p=30MPa。

扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力τ為：

式中Mk——螺桿的軸斷口面扭矩，N·m；

n——螺桿轉(zhuǎn)速，r/min；

P——主電機(jī)最大功率，kW；

Wn——軸斷面的抗扭截面模量，mm3；

η——機(jī)械傳動效率，取η=0.9。

螺桿與傳動軸為剛性連接，故螺桿斷面有自重產(chǎn)生的彎應(yīng)力σw：

式中G——螺桿自重；

g——重力加速度，m/s2；

l——螺桿有效長度，m；

Mw——螺桿彎矩為Gl/2;

ρ——0Cr13的密度，ρ=7750kg/m3。

根據(jù)第三強(qiáng)度理論[6]，螺桿的總應(yīng)力σ為：

0Cr13的疲勞強(qiáng)度確定公式為：

σ-1=0.385σb+94=396.28MPa

式中n——安全系數(shù)，n=2.5；

σ-1——材料的疲勞極限[7]，MPa；

[σ]——許用疲勞極限；

σb——材料的抗拉強(qiáng)度。

σ=188.07MPa>[σ]=158.21MPa

4.2斷裂原因綜合分析

螺桿軸斷口呈典型的疲勞斷裂特征，宏觀可見明顯的裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，微觀可見疲勞輝紋特征，疲勞裂紋起源于軸肩變徑處螺紋起始端的小直徑截面上的最外端與涂層結(jié)合處。此處受到的交變剪切應(yīng)力最大，結(jié)合處的缺陷容易先產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展。通過力學(xué)分析計算也進(jìn)一步確定，軸端口截面上的點受到的總應(yīng)力超過許用疲勞極限，在長期反復(fù)作用后，螺桿軸易發(fā)生疲勞斷裂。由以上分析判斷，該螺桿軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

擠出機(jī)螺桿軸的熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理，0Cr13鋼經(jīng)淬火加高溫回火后得到回火索氏體。而金相觀察結(jié)果表明，螺桿軸的顯微組織中存在大量的粗大網(wǎng)狀鐵素體。而從沖擊測試后的斷面可以看出，整個斷面沒有出現(xiàn)纖維區(qū)和剪切唇區(qū)，均為準(zhǔn)解理特征，屬于脆性斷裂特征，軸的沖擊韌性較差。加熱溫度、保溫時間及冷卻速度等方面的控制問題導(dǎo)致了大量粗大網(wǎng)狀鐵素體的析出，這將降低材料的力學(xué)性能，尤其是塑性指標(biāo)。而從拉伸測試也可得出擠出機(jī)螺桿軸的屈服強(qiáng)度不符合技術(shù)要求，斷后伸長率和斷后收縮率也低于技術(shù)要求的下限。因此，螺桿軸在使用過程中抵抗脆性斷裂的能力嚴(yán)重下降，螺桿軸發(fā)生斷裂而失效。

5 結(jié)論

5.1螺桿軸斷口呈典型的疲勞斷裂特征，宏觀可見明顯的裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，微觀可見疲勞輝紋特征。

5.2螺桿軸的斷口裂紋源區(qū)存在少量疏松孔洞和微裂紋，表明螺桿軸存在冶金缺陷，裂紋是由軸外緣擴(kuò)展至軸心方向，表明疲勞源是位于軸邊緣涂層材料與軸材料的應(yīng)力集中區(qū)域；軸螺紋起始端的小直徑邊緣受到的剪切應(yīng)力最大，是螺桿軸容易出現(xiàn)失效的位置。

5.3螺桿軸的各化學(xué)成分含量符合標(biāo)準(zhǔn)，抗拉強(qiáng)度足夠大，軸在正常工作的情況下，很難在外力作用下直接斷裂，這間接說明軸是在低應(yīng)力水平條件下經(jīng)過長時間周期作用造成的斷裂。

5.4疲勞斷裂作為構(gòu)件主要的失效方式是很難防止的，應(yīng)定期對螺桿軸應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行無損檢測檢驗。

5.5在螺桿軸的關(guān)鍵部位(如：軸肩、小軸徑處、應(yīng)力最高處)應(yīng)加強(qiáng)定期檢測檢驗，做好熱處理，防止夾渣、孔洞的出現(xiàn)。

5.6加強(qiáng)質(zhì)量檢驗，嚴(yán)格控制熱處理工藝，消除殘余應(yīng)力，防止固相生成，確保軸的綜合機(jī)械性能，特別是塑性指標(biāo)。

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*馬小明，男，1962年6月生，副教授。廣東省廣州市，510640。

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0254-6094(2015)01-0129-05

2014-06-25，

2014-07-09)