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        酸排氣風(fēng)機(jī)軸的失效分析和工藝改進(jìn)研究

        2022-03-01 08:41:42唐志君劉克昌
        裝備制造技術(shù) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:委托方鐵素體斷口

        唐志君,劉克昌

        (北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司,北京 100096)

        益科德公司的CUB 酸排氣風(fēng)機(jī)軸在使用約兩周后發(fā)生斷裂,而該軸正常服役周期15 年。據(jù)使用方介紹,此次風(fēng)機(jī)軸屬于新工藝的首次嘗試,由新的生產(chǎn)商加工。基于委托方對于軸服役狀態(tài)下的受力情況計(jì)算,生產(chǎn)商為了降低成本,提出使用45#鋼為原料按照相應(yīng)技術(shù)圖紙加工后,無后續(xù)熱處理。委托方希望本中心通過檢測確認(rèn)樣品斷裂原因并提出工藝改進(jìn)建議。CUB 酸排氣風(fēng)機(jī)軸來樣如圖1 所示,設(shè)計(jì)圖紙如圖1-3 所示,斷裂位于圖紙上箭頭所指處,該位置外圓有一段過盈裝配的軸套在圖中可見。

        圖1 來樣圖

        根據(jù)本次樣品的特點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)室在了解了樣品服役情況后,提出了材質(zhì)-力學(xué)性能-金相組織-斷口分析的檢測計(jì)劃,首先確認(rèn)樣品是否符合委托方的性能要求,之后推測斷裂機(jī)理[1]。

        1 斷軸失效分析

        委托方和生產(chǎn)方稱該軸使用了45#鋼為原料,本實(shí)驗(yàn)室即參考國標(biāo)GB/T 699-2015 中的相關(guān)規(guī)定,使用直讀光譜法檢測了樣品的化學(xué)成分,確認(rèn)其材質(zhì)符合45#鋼的相關(guān)要求。結(jié)果見表1。

        表1 失效軸化學(xué)成分(對比GB/T 699-2015)

        2 力學(xué)性能對比

        由于產(chǎn)品使用方并未就該軸類產(chǎn)品的力學(xué)性能向供貨方提出具體要求,如表2 所示,本實(shí)驗(yàn)室參考GB/T 699-2015 中對45# 鋼力學(xué)性能的相關(guān)規(guī)定通過室溫拉伸試驗(yàn)對比樣品是否符合國標(biāo)規(guī)定。結(jié)果表明:該失效軸屈服強(qiáng)度低于國標(biāo)規(guī)定約10.70%~13.80%;其他各參數(shù)和國標(biāo)規(guī)定均相符。屈服強(qiáng)度低可能導(dǎo)致材料抗疲勞性能下降。硬度方面,該產(chǎn)品硬度符合GB/T 699-2015 的相關(guān)要求。

        表2 失效軸樣品力學(xué)性能檢測結(jié)果(對比GB/T 699-2015)

        3 斷口檢測結(jié)果

        3.1 宏觀檢測

        失效軸的兩邊斷口形貌如圖2 所示,斷口較平整為扭轉(zhuǎn)斷口。整體而言,該軸外表面較為光滑,除斷口處外無明顯缺陷。圖2(b)為圖2(a)圖箭頭所指部位(裂紋源處)的放大20 倍效果,有較為尖銳的凸起??紤]到該軸的服役工況,初步認(rèn)為該軸屬于應(yīng)力集中引發(fā)的疲勞斷裂[2]。

        圖2 斷口形貌

        3.2 微觀觀察

        本實(shí)驗(yàn)室將失效軸的斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察,但由于該軸斷裂后仍持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后設(shè)備才完全停止,斷口表面存在較嚴(yán)重的磨損,不合適用以判定斷口特征。

        3.3 斷口處的金相檢驗(yàn)

        垂直于斷裂源處取樣進(jìn)行顯微組織觀察:斷裂源處的金相組織為珠光體+鐵素體,表面無脫碳現(xiàn)象;斷裂源附近有一條二次裂紋。截面心部金相組織也為珠光體+鐵素體,如圖3 所示。整體而言,該失效軸的縱截面金相組織均勻,為珠光體+鐵素體,無明顯缺陷,有一定的帶狀組織。金相組織表明材料熱處理狀態(tài)為熱軋正火態(tài),而正火態(tài)鋼材的強(qiáng)度、硬度和抗疲勞性能等方面均較低[3]。

        圖3 斷裂源處金相組織,50X(上);100x(下)

        4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面分析

        根據(jù)委托方提供的技術(shù)圖紙,我們了解到失效軸帶動(dòng)的風(fēng)機(jī)葉片和軸體自身的總質(zhì)量約為355 kg(3509.6N),葉片半徑為250 mm。供貨方根據(jù)平均直徑約為70 mm 計(jì)算出該軸的極慣性矩為33.67 ×10-5m3,由此算出該軸受到的最大剪應(yīng)力為104 MPa,所以45#鋼超過300 MPa 的屈服強(qiáng)度應(yīng)該能夠滿足這樣的服役條件。生產(chǎn)商也是參考了使用方的計(jì)算結(jié)果后才選用45#鋼為原料,而非強(qiáng)度更高的合金鋼或軸承鋼。

        但實(shí)際考慮葉片半徑帶來的扭矩,該軸的極慣性矩應(yīng)為約9.43×10-6m3。由此計(jì)算出該軸受到的最大剪應(yīng)力應(yīng)為372.17 MPa;對比上文中的力學(xué)性能檢測結(jié)果可知,此應(yīng)力已大于該軸的屈服強(qiáng)度[4]。另外,軸斷裂處的實(shí)際直徑約為56 mm,若以此計(jì)算該軸的極慣性矩結(jié)果肯定更大。且斷裂位置處于直徑明顯收縮的臺(tái)階處,該處的R角約為90°;顯然此處存在明顯的應(yīng)力集中,缺口敏感性會(huì)導(dǎo)致其服役能力進(jìn)一步下滑。

        考慮到以上兩點(diǎn),此前的力學(xué)計(jì)算存在偏差,導(dǎo)致了雙方對選材的性能要求較低。同時(shí),軸類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要盡可能減少出現(xiàn)應(yīng)力集中,本失效軸的臺(tái)階式收縮是一個(gè)設(shè)計(jì)缺陷,斷裂位置也正在此處。建議盡量減少軸徑變化,若部分位置確需減小直徑,也須做過渡弧而不應(yīng)出現(xiàn)明顯的90°角收縮。

        5 失效分析結(jié)論及建議

        該失效軸化學(xué)成分符合GB/T 699-2015 規(guī)定的45 鋼的元素含量,即符合供購雙方要求。力學(xué)性能方面:失效產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度明顯低于GB/T 699-2015 的相關(guān)規(guī)定,其他參數(shù)均符合。宏觀斷口較為平整,軸斷裂源顯微觀察表面無脫碳現(xiàn)象,斷裂源處及心部金相組織均為珠光體+鐵素體。金相組織表明材料熱處理狀態(tài)為熱軋正火態(tài)。而正火態(tài)鋼材的強(qiáng)度、硬度和抗疲勞性能等方面均較低,服役時(shí)在產(chǎn)品臺(tái)階處易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致失效。

        通過對失效軸的受力情況分析,我們發(fā)現(xiàn)委托方在計(jì)算軸受力時(shí)出現(xiàn)了偏差,導(dǎo)致誤判了該軸在服役時(shí)受到了最大剪應(yīng)力;因此雙方對該軸的強(qiáng)度要求較低,沒有選用軸承鋼或合金鋼,沒有要求進(jìn)行熱處理,對軸承的力學(xué)性能參數(shù)也沒有具體規(guī)定。另外,在軸的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)方面,出現(xiàn)了明顯的收縮臺(tái)階,容易導(dǎo)致應(yīng)力集中;而斷裂位置就在最小尺寸直徑的臺(tái)階處。

        基于以上分析,本實(shí)驗(yàn)室建議廠家選取GCr15 或42CrMo 等軸承鋼或合金鋼為原料,并且在產(chǎn)品加工成型后進(jìn)行至少一次的調(diào)質(zhì)熱處理以保證其強(qiáng)度和硬度。使用方也應(yīng)該對產(chǎn)品硬度、強(qiáng)度、斷后伸長率等參數(shù)提出相應(yīng)要求以保證其符合服役條件。此外在產(chǎn)品的尺寸設(shè)計(jì)方面,建議綜合考慮應(yīng)力集中和材料疲勞等因素,避免臺(tái)階結(jié)構(gòu)和應(yīng)力集中。

        6 改良后產(chǎn)品性能檢測

        益科德公司接受了本實(shí)驗(yàn)室提出的改良方案,改良了設(shè)計(jì)圖紙并以42CrMo 為原料加工生產(chǎn)了新批次的風(fēng)機(jī)軸。新軸的直徑約為80 mm,無軸徑變化,無明顯臺(tái)階狀起伏。為確認(rèn)新產(chǎn)品質(zhì)量,該公司再次委托本實(shí)驗(yàn)室對改良后的風(fēng)機(jī)軸進(jìn)行了相關(guān)檢測。

        6.1 力學(xué)性能對比

        此次,供購雙方規(guī)定產(chǎn)品力學(xué)性能參考ISO 683-2:2016(E)中對42CrMo4(40~100 mm 直徑棒材,調(diào)質(zhì)態(tài))的相關(guān)規(guī)定。拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。

        表3 42CrMo 軸力學(xué)性能檢測結(jié)果(對比ISO 683-2:2016(E))

        室溫拉伸試驗(yàn)的結(jié)果顯示:新軸的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度滿足ISO 683-2:2016(E)的要求;抗拉強(qiáng)度超過ISO 683-2:2016(E)規(guī)定的上限約5.26%。樣品塑性(斷后伸長率和斷面收縮率)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。新軸的強(qiáng)度參數(shù)明顯優(yōu)于失效軸的相關(guān)參數(shù)。

        此外,實(shí)驗(yàn)室還根據(jù)客戶要求,檢測了該軸樣品橫截面的洛氏硬度(HRC)。GB/T 3077-2015 規(guī)定42CrMo 調(diào)質(zhì)后洛氏硬度應(yīng)為HRC 28-32,此軸的心部硬度略低(26.8~ 29.4HRC),其他位置硬度基本滿足國標(biāo)要求,考慮到軸徑較粗,心部存在硬度略低的情況也屬正常。對比失效軸,新軸硬度明顯更高。

        6.2 金相組織分析

        樣品縱向(垂直于圓面方向)有較明顯的帶狀組織,應(yīng)是軋制原料特點(diǎn),參照GB/T 13299-1991 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)帶狀組織為5 級(jí),推測為軋制原料本身具有的特征,屬正?,F(xiàn)象。樣品橫截面邊部金相組織為回火索氏體+少量條塊狀鐵素體,組織均勻,如圖4。

        圖4 樣品縱截面的帶狀組織,100x;橫截面金相組織,500x

        該金相組織符合42CrMo 鋼調(diào)質(zhì)熱處理工藝特征,表面組織處理較好,但心部組織中存在少量的小塊狀鐵素體;考慮到該產(chǎn)品尺寸較大,出現(xiàn)淬透性不足的情況也屬于正常。一般來說,以回火索氏體為主的金相組織在綜合力學(xué)性能方面會(huì)有較好的表現(xiàn)[5]。

        7 結(jié)論

        改良后的42CrMo 軸在力學(xué)性能和金相組織方面明顯優(yōu)于以45#鋼為原料的失效軸。同時(shí)生產(chǎn)方也改進(jìn)了產(chǎn)品尺寸設(shè)計(jì),去掉了臺(tái)階結(jié)構(gòu),能夠保證產(chǎn)品無明顯的應(yīng)力集中。

        經(jīng)過本實(shí)驗(yàn)室檢測后,益科德公司將改良后的42CrMo 軸生產(chǎn)工藝作為該公司風(fēng)機(jī)軸生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)工藝,明確了產(chǎn)品在硬度、強(qiáng)度等方面需要達(dá)到相關(guān)國標(biāo)要求。此后,該公司同類型的軸類產(chǎn)品再未出現(xiàn)類似的失效事故。

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