徐國(guó)慶，時(shí)義，王立坤

（1.中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處；2.中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司乙烯廠；3.中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司壓力容器檢驗(yàn)所，新疆 克拉瑪依 833699）

1 使用情況

發(fā)生斷裂的7號(hào)葉輪軸為熱電廠汽機(jī)車(chē)間GMT58FA（Y0TF580）調(diào)速型液力偶合器的主工作油泵，投用時(shí)間2008年至今已有6年，該泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間約3萬(wàn)h。斷裂軸以齒輪傳導(dǎo)方式對(duì)外輸出做功，泵軸選擇材料為45鋼，開(kāi)裂部位為軸承裝卡部位根部，軸總長(zhǎng)度約209.3mm，斷裂處距左側(cè)約126.3mm，如圖1。

圖1 爆口位置

2 檢驗(yàn)情況

2．1 使用情況調(diào)查

該泵軸自2008年6月開(kāi)始投入使用，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)限制未能對(duì)該泵做關(guān)于游隙、震動(dòng)等監(jiān)測(cè)。

2．2 宏觀檢驗(yàn)

發(fā)生開(kāi)裂部位為泵軸輸出端安裝軸承的軸肩處，該處為機(jī)械加收刀位置。整個(gè)軸無(wú)宏觀彎曲變形。從斷口照片看，該斷口分為較明顯的3個(gè)部分，裂紋源區(qū)（Ⅰ區(qū)）該區(qū)域?yàn)檐?chē)削加工時(shí)車(chē)刀收刀位置。裂紋擴(kuò)展區(qū)（Ⅱ區(qū)）該區(qū)平滑可見(jiàn)貝紋。瞬斷區(qū)（Ⅲ區(qū)）該區(qū)域是裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸后發(fā)生失穩(wěn)快速破斷區(qū)域，該區(qū)與平滑區(qū)程45°角約占整個(gè)平面的40%～50%，由宏觀形貌可初步判定該軸發(fā)生了疲勞斷裂，見(jiàn)圖2。

2．3 成分分析

在斷裂軸橫截面取樣，按照GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法》，使用德國(guó)SPECTRO Lab.M11型固定式直讀光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行光譜分析，測(cè)得各元素含量見(jiàn)表1。

表1 成分含量 ω/%

圖2 斷口宏觀照片

由表1數(shù)據(jù)可知，所檢樣化學(xué)元素含量滿足GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中45鋼要求。

2．4 硬度檢驗(yàn)

在斷裂軸橫截面取樣，按照GB/T 230.1-2009《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》由邊緣向心部進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 硬度檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值及差值運(yùn)算方法》將檢測(cè)結(jié)果換算成布氏硬度指標(biāo)。硬度參考JB/T 8491.1-2008《機(jī)床零件熱處理技術(shù)條件第1部分：退火、正火、調(diào)質(zhì)》，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知該軸硬度指標(biāo)符合45調(diào)質(zhì)狀態(tài)指標(biāo)要求。

2．5 金相檢驗(yàn)

在斷軸橫截面取金相試樣，使用蔡司研究級(jí)正立智能數(shù)字萬(wàn)能材料顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)Axio ImagerA 2m，按照GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行金相檢驗(yàn)。經(jīng)分析該軸基體組織為回火索氏體加少量先共析鐵素體。心部鐵素體含量遠(yuǎn)高于外表面，并且析出鐵素體寬度和連續(xù)程度也都高于外表面。見(jiàn)圖3、4。

圖3 近表面金相照片1000×

圖4 中心部位金相照片1000×

3 檢驗(yàn)結(jié)果分析

斷軸軸向無(wú)彎曲變形，斷口符合疲勞斷裂情況。根據(jù)斷口形貌可判定該軸發(fā)生了旋轉(zhuǎn)疲勞。開(kāi)裂發(fā)生在機(jī)械加工車(chē)刀退刀部位，該處從結(jié)構(gòu)上來(lái)講是應(yīng)力集中部位，同時(shí)由于機(jī)械加工原因，此處受力情況更加惡劣。金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示該軸進(jìn)行過(guò)調(diào)質(zhì)處理。在原奧氏體晶界處有鐵素體析出，并且外側(cè)鐵素體量少于心部，應(yīng)屬于在淬火過(guò)程中加熱不足或冷卻速度不夠造成的。

材料在熱處理時(shí)沒(méi)有控制好熱處理工藝，導(dǎo)致斷軸金相組織存在鐵素體超標(biāo)，使材料整體性能下降。在使用過(guò)程中由于泵軸受力不均，加之開(kāi)停車(chē)時(shí)泵軸承受的瞬時(shí)力增大，導(dǎo)致泵軸結(jié)構(gòu)不連續(xù)最嚴(yán)重也是該軸最薄弱位置成為疲勞裂紋的起裂源，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展。直至剩余的承載面積不足以承受泵軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所受外力發(fā)生斷裂。

4 檢驗(yàn)結(jié)論

該泵軸熱處理不當(dāng)，導(dǎo)致材料整體性能有所下降。在工況下，結(jié)構(gòu)不連續(xù)的應(yīng)力集中部位形成疲勞裂紋源，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂的發(fā)生。

5 建議

（1）調(diào)整熱處理工藝，使材料組織與使用工況相適應(yīng)。

（2）需要嚴(yán)格控制機(jī)加工精度，特別是在機(jī)加工起刀和收刀處，若可行盡量采用圓弧過(guò)渡，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)來(lái)消除應(yīng)力集中的影響。