蔣金廣

(山東博物館,山東 濟(jì)南 250014)

球墨鑄鐵QT500-7空壓機(jī)軸異常斷裂失效研究

蔣金廣

(山東博物館,山東 濟(jì)南 250014)

通過掃描電鏡對(duì)球墨鑄鐵QT500-7空壓機(jī)軸的斷口形貌、石墨形態(tài)和顯微組織等進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)軸的斷裂模式為疲勞斷裂,球化不良、石墨漂浮和晶粒粗大等缺陷是造成異常斷裂的主要原因.另外,在軸鍵槽的接刀痕處和軸螺紋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中也會(huì)在服役過程中誘發(fā)多源啟裂,導(dǎo)致其發(fā)生脆性斷裂失效.研究認(rèn)為,應(yīng)采取加強(qiáng)爐前檢測(cè)與金相理化分析、合理設(shè)計(jì)軸件結(jié)構(gòu)、避免在軸上高載荷區(qū)切制螺紋等預(yù)防改進(jìn)措施,保證球墨鑄鐵軸的質(zhì)量.

球墨鑄鐵;疲勞斷裂;應(yīng)力集中;球化不良

空壓機(jī)作為一種能夠高效壓縮氣體的設(shè)備,在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用.軸類零件作為空壓機(jī)設(shè)備中必不可少的關(guān)鍵部件,其工作狀況復(fù)雜,受到剪力、扭矩等因素的綜合影響,失效事故時(shí)有發(fā)生,往往造成嚴(yán)重事故和經(jīng)濟(jì)損失.質(zhì)量缺陷、疲勞斷裂、磨損腐蝕和塑性變形等是其較常見的失效形式,導(dǎo)致空壓機(jī)軸斷裂失效的原因復(fù)雜多樣,查文獻(xiàn)可知,國(guó)內(nèi)外研究人員鮮有對(duì)空壓機(jī)軸斷裂失效的原因進(jìn)行研究,僅僅采用頻繁更換斷裂軸的方法無(wú)法從根本上解決此問題.因此,采用掃描電鏡等儀器從宏觀和微觀角度分析空壓機(jī)軸的斷裂失效原因成為研究人員當(dāng)下亟需解決的問題.

某工廠空壓機(jī)軸材質(zhì)為球墨鑄鐵QT500-7,在服役數(shù)百小時(shí)后突然發(fā)生傳動(dòng)軸斷裂事故,軸斷裂成3部分.為查明其斷裂性質(zhì)和原因,本文通過對(duì)斷裂軸進(jìn)行斷口形貌檢查、石墨形態(tài)分析及顯微組織檢測(cè)等手段進(jìn)行失效分析,尋找失效原因,并提出預(yù)防改進(jìn)措施.

1 儀器與材料

試驗(yàn)用儀器為韓國(guó)賽可SNE-3000MB掃描電子顯微鏡.

試驗(yàn)用空壓機(jī)軸材質(zhì)為球墨鑄鐵QT500-7,其化學(xué)成分如表1所示.

表1 QT500-7的化學(xué)成分

2 方法與結(jié)果

2.1 斷口分析

斷裂軸的實(shí)物照片如圖1所示,軸一側(cè)開有鍵槽,軸內(nèi)部空心,一端攻有螺紋,通過鍵等連接來(lái)傳遞載荷.軸在中間兩處斷裂為a、b、c3部分?jǐn)嗝?而斷面c又?jǐn)嗔褳閏1和c2兩部分.通過圖1可以看出,斷面c裂紋啟裂于內(nèi)螺紋根部,在扭轉(zhuǎn)載荷作用下,斷口的開裂方向與軸向大致成45°角并擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展區(qū)無(wú)剪切唇,表明其不能承受載荷時(shí)突然發(fā)生斷裂.從圖1c斷面的c1、c2兩部分?jǐn)嗝婵梢钥闯?裂紋起源于軸鍵槽接刀痕處,裂紋擴(kuò)展區(qū)亦無(wú)剪切唇,斷口走向很正,破斷面呈螺旋狀.觀察宏觀斷口特征,兩斷口均呈黑色,無(wú)金屬光澤,斷口有石墨脫落痕跡,均無(wú)明顯塑性變形,斷面存在較光亮磨損痕跡、具有拉壓應(yīng)力導(dǎo)致的表面磨損,表明斷裂時(shí)承受載荷較高,初步判定為扭轉(zhuǎn)疲勞脆性斷裂.

圖1 軸斷口宏觀形貌

取圖1斷軸c的c1、c2兩部分碎塊,用酒精浸泡后,再用超聲振蕩清洗5min,取出吹干,分別在掃描電鏡下觀察.軸斷口的微觀形貌如圖2所示,可見斷口晶粒粗大,晶粒表面平整,石墨斷裂脫落后留下的孔洞深且明顯,局部區(qū)域有石墨聚集現(xiàn)象(圖2a),且石墨形狀不規(guī)則,大量顯微裂紋沿晶界擴(kuò)展,進(jìn)一步判定為沿晶脆性斷裂.

2.2 顯微組織

取圖1中間斷軸b碎塊,手工切平,磨制拋光后在掃描電鏡下觀察.如圖3所示,該軸所用球墨鑄鐵的石墨形態(tài)為開花狀、團(tuán)絮狀、厚片狀,另有少數(shù)球狀.根據(jù)GB/T 9441-2009 球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)可判定球化率小于50%,球化級(jí)別6級(jí).表明該球墨鑄鐵件球化不良,并且有明顯的石墨漂浮現(xiàn)象.石墨聚集分布,密集成串,易脫落,嚴(yán)重割裂金屬基體組織,導(dǎo)致力學(xué)性能較差.

圖2 軸斷口微觀形貌

圖3 斷裂軸的石墨形態(tài)

將上述斷軸碎塊的拋光試樣用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精腐蝕后,在掃描電鏡下觀察斷軸的顯微組織,如圖4所示.圖4a顯示斷軸的顯微組織由大塊鐵素體和少量珠光體構(gòu)成,按照GB/T 9441-2009,測(cè)定珠光體含量小于25%.圖4b中珠光體的層片結(jié)構(gòu)清晰可見,晶粒粗大,晶界未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀磷共晶或其他晶界致脆物.鐵素體晶粒晶界處,粗大畸形的石墨密集分布,不僅造成組織松散,而且表明碳的擴(kuò)散距離較短,導(dǎo)致石墨周圍出現(xiàn)大塊的純鐵素體組織,這種缺陷使球墨鑄鐵力學(xué)性能惡化,強(qiáng)度急劇下降.

圖4 斷裂軸的顯微組織

2.3 扭轉(zhuǎn)圓軸應(yīng)力分析

當(dāng)圓軸受到扭矩載荷T作用時(shí),截面邊緣處的剪應(yīng)力τ最大.

對(duì)空心軸,抗扭截面系數(shù)tW可表示為

其中,R為軸的外半徑,r為內(nèi)半徑,a=r/R.從圖5a可計(jì)算得到空心軸截面剪應(yīng)力τ.

圓軸受扭時(shí)內(nèi)部各點(diǎn)處于平面應(yīng)力狀態(tài).此時(shí),主平面的主應(yīng)力σ可通過剪應(yīng)力來(lái)表示.

圖5 扭轉(zhuǎn)圓軸的應(yīng)力狀態(tài)

圓軸純扭矩運(yùn)動(dòng)時(shí)彈性應(yīng)力分布表面最大,正常情況下裂紋應(yīng)從表面萌生,向內(nèi)部擴(kuò)展至斷裂.而實(shí)際應(yīng)用中軸往往加工出鍵槽等結(jié)構(gòu),加工過程中會(huì)產(chǎn)生各種缺口,如鍵槽和螺紋的加工相當(dāng)于產(chǎn)生了尖形缺口,缺口尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子達(dá)到很高水平,造成局部應(yīng)力集中而改變軸的應(yīng)力分布,導(dǎo)致最大應(yīng)力點(diǎn)不再發(fā)生在軸的外緣,而可能位于加工所造成的尖角或刀痕處.

通過斷軸宏觀斷口、微觀斷口及顯微組織檢測(cè)發(fā)現(xiàn),該軸破斷點(diǎn)始于螺紋根部和鍵槽接刀痕處,斷面呈沿晶斷口形貌,無(wú)明顯塑性變形,這是因?yàn)殒I槽、螺紋的加工破壞了基體組織連續(xù)性,尖角或刀痕處局部因缺口效應(yīng)形成應(yīng)力集中,軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中于應(yīng)力集中處萌生裂紋,應(yīng)力集中越嚴(yán)重,裂紋產(chǎn)生越早.同時(shí)斷裂軸因存在材質(zhì)球化不良等組織缺陷,造成畸形石墨較多,畸形石墨聚集分布,破壞了基體的連續(xù)性,強(qiáng)度和塑韌性弱化,直接降低了斷裂軸的力學(xué)性能,造成軸的有效承載面積迅速減小至不能承受載荷而突然開裂,多源裂紋沿石墨界面和基體晶界快速擴(kuò)展,這是造成該軸脆性斷裂的主要原因.

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)球墨鑄鐵空壓機(jī)軸異常斷裂進(jìn)行了失效分析.理化分析結(jié)果表明,軸的失效性質(zhì)為脆性過載斷裂,斷裂面上的異形石墨聚集,破壞了基體的連續(xù)性,降低了軸的力學(xué)性能.顯微組織晶粒粗大,降低了材料的強(qiáng)度和塑韌性,增大了脆性.在加工過程中于鍵槽刀痕處和螺紋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致斷口出現(xiàn)大量的應(yīng)力裂紋.

要防止出現(xiàn)軸的脆性斷裂,首先,要保證球墨鑄鐵件的質(zhì)量,避免出現(xiàn)球化不良、石墨漂浮等組織缺陷,除對(duì)球化和孕育處理嚴(yán)格控制外,一方面要對(duì)鑄造澆注溫度、冷卻溫度和停留時(shí)間等環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制;另一方面在生產(chǎn)時(shí)需注意澆冒口、澆注位置的改進(jìn),防止鐵液氧化,以獲得球化良好、均勻的石墨和優(yōu)良的基體組織;最后,要加強(qiáng)爐前檢測(cè)與金相理化分析,以保證球墨鑄鐵軸的質(zhì)量.

在鍵與軸的配合件中,交變扭轉(zhuǎn)多經(jīng)過鍵來(lái)傳遞,鍵槽等軸上的縱向溝槽易引起應(yīng)力集中.為減少應(yīng)力集中,應(yīng)合理計(jì)算鍵槽根部的過渡圓角值,加工時(shí)避免刀痕過深,在軸上切制螺紋應(yīng)盡量避免在高載荷區(qū)加工,對(duì)于加工產(chǎn)生的毛刺應(yīng)予以清除,以減少裂紋啟裂機(jī)率,并抑制裂紋快速擴(kuò)展.

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