萬怡男

（煙臺大學(xué)文經(jīng)學(xué)院機電系，煙臺 264005）

泵軸是機械泵上最容易損壞的零件，其損壞的主要原因是泵軸長時間受集中力影響，會出現(xiàn)裂紋，裂紋繼續(xù)蔓延直至軸斷裂。某公司脫硫作業(yè)裝置了一臺進口高速泵，由美國著名公司生產(chǎn)，高速泵軸轉(zhuǎn)速為20600r/min，使用一個月后發(fā)生主軸斷裂事故，主軸的材質(zhì)、加工工藝及裝配工藝均未知，需通過綜合檢驗與分析，明確斷裂的原因。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

來樣外觀形貌如圖1，來樣由A、B、C三部分組成，A為高速泵軸，B為高速泵軸中間部位連接誘導(dǎo)輪螺柱，C為套在高速泵軸上的部件。

斷口形貌如圖2所示，中間部位的斷口為螺柱斷口，環(huán)形斷口為高速泵軸的斷口。如圖2所示，斷口表面存在較多的黑褐色覆蓋物，且磨損嚴(yán)重。在斷口近外表面9點到1點鐘方向有明顯的臺階特征，該處為裂源部位；斷口3點到6點鐘方向為最后斷裂區(qū)，該處斷口與整個斷面成45°斜面。

對來樣進行拆卸，形貌如圖3、圖4所示?？梢娮暂S斷口處向下18mm范圍內(nèi)存在較為嚴(yán)重的環(huán)向損傷痕跡，該處大部分已銹蝕呈黃褐色，局部可見有粘附金屬存在，與高速泵軸配合的部件內(nèi)壁表面也有損傷存在。

圖1 高速泵軸外觀

圖2 斷口形貌

圖3 高速泵軸拆卸后的形貌

圖4 軸外表面形貌

經(jīng)宏觀分析可知，高速泵軸外壁表面存在較多的損傷特征，斷口裂源部位存在明顯臺階特征。

1.2 化學(xué)成分分析

從軸上取樣進行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果如表1所示

從上述化學(xué)成分分析結(jié)果可得，泵軸的化學(xué)成分符合《標(biāo)準(zhǔn)合金結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 3077-2015）中42CrMo的規(guī)定值，所以軸的材質(zhì)等同為42CrMo。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

1.3 金相檢驗

從高速泵軸裂源區(qū)沿軸向截取剖面試樣進行微觀金相分析，腐蝕后的樣品形貌如圖5所示。可見樣品剖面存在兩種不同的顏色，根據(jù)顏色可將樣品分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)。

按《金屬顯微組織檢驗方法》（GB/T13298-2015）標(biāo)準(zhǔn)重新進行制樣，隨后在光學(xué)顯微鏡下觀察。根據(jù)《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗方法》（GB/T 10561-2005）標(biāo)準(zhǔn)中的實際檢驗A法和ISO評級圖進行評定，高速泵軸裂源區(qū)的非金屬夾雜物級別評為A0.5，B0，C0，D0.5；高速泵軸本體的非金屬夾雜物級別評為A3，B0，C0，D0.5，如圖6、圖7所示。

高速泵外壁裂紋形貌如圖8所示，可見外壁表面存在較多的尖角狀損傷缺口，并且在缺口底部，存在垂直于軸向的裂紋，裂紋類型為穿晶+少量沿晶。

圖5 腐蝕后剖面試樣

高速泵裂源處的顯微組織形貌如圖9所示，斷口表面存在摩擦后的組織形變特征。

圖6 裂源區(qū)拋光態(tài)圖

圖7 高速泵軸拋光態(tài)圖

圖8 外壁裂紋形貌

圖9 裂源區(qū)顯微組織

裂源區(qū)顯微組織為馬氏體+少量殘余奧氏體；Ⅱ區(qū)（過渡區(qū)）的顯微組織為馬氏體+索氏體+少量殘余奧氏體；Ⅲ區(qū)的顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體，如圖10、圖11所示。

圖10 Ⅱ區(qū)（過渡區(qū)）顯微組織

圖11 Ⅲ區(qū)顯微組織

從金相檢驗結(jié)果可知，在高速泵軸外壁損傷缺口底部存在較多的垂直于軸向的小裂紋。

1.4 顯微硬度分析

對圖5各區(qū)域進行顯微硬度分析，顯微硬度結(jié)果如表2所示。

表2 顯微硬度試驗結(jié)果

從上述顯微硬度結(jié)果可知，外壁損傷部位區(qū)域硬度值較高。

1.5 斷口微觀分析

將高速泵軸斷口清洗后置于掃描電子顯微鏡下觀察，裂紋源處形貌如圖12所示，可見裂紋源部位存在較多的開裂臺階及擦傷痕跡，斷口呈多源斷裂特征。放大后的裂源如圖13所示。

圖12 軸斷口裂紋源特征

圖13 軸斷口裂紋源放大特征

擴展區(qū)韌窩和少量沿晶特征如圖14所示，同時在斷口擴展區(qū)可見覆蓋層特征。

高速泵斷口區(qū)域存在較大的擦傷痕跡，最后斷裂區(qū)低倍形貌如圖15所示，放大后觀察呈韌窩特征，如圖16所示。

從以上微觀分析可知，高速泵軸裂源處存在較多的臺階特征，為多源斷裂。

2 分析與討論

宏觀檢驗表明高速泵軸斷口裂源部位存在較多開裂臺階特征，斷軸外壁表面存在較多環(huán)向損傷，局部粘附金屬，與高速泵軸配合的C部件內(nèi)壁表面也存在較多的損傷。

圖14 韌窩及沿晶特征

圖15 最后斷裂區(qū)低倍形貌

化學(xué)成分分析表明高速泵軸的化學(xué)成分符合《標(biāo)準(zhǔn)合金結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 3077-2015）中42CrMo的規(guī)定值，所以軸的材質(zhì)等同于42CrMo。

金相檢驗表明高速泵軸外壁表面與C部件配合的部位存在較多的尖角狀缺口，并在缺口底部有垂直于軸向的微小裂紋，裂紋類型為穿晶+少量沿晶特征；軸本體的非金屬夾雜物級別評為A3，B0，C0，D0.5，夾雜物級別較高，軸裂源部位未見有夾雜物異常現(xiàn)象；高速泵軸與C部件配合部位的顯微組織為馬氏體+少量殘余奧氏體；軸本體顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體。

顯微硬度測試表明靠近高速泵軸外壁表面部位的硬度較高，約為647HV1.0，軸本體的硬度約為317HV1.0。

由于缺少高速泵軸的制造、加工及裝配工藝信息，所以僅根據(jù)所做試驗項目結(jié)果對高速泵軸的斷裂原因進行分析，結(jié)論如下：

圖16 韌窩特征

（1）高速泵軸在與C部件裝配過程中采用的是熱裝法，熱裝后由于與鋼鐵零件接觸，使得該部位的冷卻速度加快，冷卻后的顯微組織為馬氏體+少量殘余奧氏體，而未加熱和加熱溫度較低的部位則組織變化較小，仍保留軸最終熱處理后的組織特征（回火索氏體+少量鐵素體）。

（2）高速泵軸與C部件裝配過程中由于是過盈配合，所以會造成軸外壁表面局部金屬擠壓變形，當(dāng)裝配過程中操作不當(dāng)或者有其他硬質(zhì)顆?；烊霑r就會造成軸表面局部損傷，形成缺口，缺口底部即為應(yīng)力集中源。

（3）高速泵軸運行過程中，裂紋自缺口處起源，不同高度之間的裂紋匯合后形成臺階并繼續(xù)向前擴展，直至發(fā)生脆性斷裂。

3 結(jié)語

本文通過宏觀檢驗與微觀實驗，發(fā)現(xiàn)高速泵軸的材料成分及熱處理工藝符合泵軸的制造工藝要求，但在裝配過程中表面形成微劃痕或缺口，導(dǎo)致高速泵運行過程中，缺口應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋，并且該部位組織為脆性馬氏體，故導(dǎo)致早期斷裂。建議優(yōu)化裝配工藝，避免產(chǎn)生微劃痕和缺口。