唐志君,劉克昌
(北京科大分析檢驗中心有限公司,北京 100096)
益科德公司的CUB 酸排氣風機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,此次風機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)下的受力情況計算,生產(chǎn)商為了降低成本,提出使用45#鋼為原料按照相應技術圖紙加工后,無后續(xù)熱處理。委托方希望本中心通過檢測確認樣品斷裂原因并提出工藝改進建議。CUB 酸排氣風機軸來樣如圖1 所示,設計圖紙如圖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,本實驗室在了解了樣品服役情況后,提出了材質-力學性能-金相組織-斷口分析的檢測計劃,首先確認樣品是否符合委托方的性能要求,之后推測斷裂機理[1]。
委托方和生產(chǎn)方稱該軸使用了45#鋼為原料,本實驗室即參考國標GB/T 699-2015 中的相關規(guī)定,使用直讀光譜法檢測了樣品的化學成分,確認其材質符合45#鋼的相關要求。結果見表1。
表1 失效軸化學成分(對比GB/T 699-2015)
由于產(chǎn)品使用方并未就該軸類產(chǎn)品的力學性能向供貨方提出具體要求,如表2 所示,本實驗室參考GB/T 699-2015 中對45# 鋼力學性能的相關規(guī)定通過室溫拉伸試驗對比樣品是否符合國標規(guī)定。結果表明:該失效軸屈服強度低于國標規(guī)定約10.70%~13.80%;其他各參數(shù)和國標規(guī)定均相符。屈服強度低可能導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 的相關要求。
表2 失效軸樣品力學性能檢測結果(對比GB/T 699-2015)
失效軸的兩邊斷口形貌如圖2 所示,斷口較平整為扭轉斷口。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,初步認為該軸屬于應力集中引發(fā)的疲勞斷裂[2]。
圖2 斷口形貌
本實驗室將失效軸的斷口進行掃描電鏡觀察,但由于該軸斷裂后仍持續(xù)運行一段時間后設備才完全停止,斷口表面存在較嚴重的磨損,不合適用以判定斷口特征。
垂直于斷裂源處取樣進行顯微組織觀察: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)
根據(jù)委托方提供的技術圖紙,我們了解到失效軸帶動的風機葉片和軸體自身的總質量約為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力為104 MPa,所以45#鋼超過300 MPa 的屈服強度應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算結果后才選用45#鋼為原料,而非強度更高的合金鋼或軸承鋼。
但實際考慮葉片半徑帶來的扭矩,該軸的極慣性矩應為約9.43×10-6m3。由此計算出該軸受到的最大剪應力應為372.17 MPa;對比上文中的力學性能檢測結果可知,此應力已大于該軸的屈服強度[4]。另外,軸斷裂處的實際直徑約為56 mm,若以此計算該軸的極慣性矩結果肯定更大。且斷裂位置處于直徑明顯收縮的臺階處,該處的R角約為90°;顯然此處存在明顯的應力集中,缺口敏感性會導致其服役能力進一步下滑。
考慮到以上兩點,此前的力學計算存在偏差,導致了雙方對選材的性能要求較低。同時,軸類產(chǎn)品的設計需要盡可能減少出現(xiàn)應力集中,本失效軸的臺階式收縮是一個設計缺陷,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出現(xiàn)明顯的90°角收縮。
該失效軸化學成分符合GB/T 699-2015 規(guī)定的45 鋼的元素含量,即符合供購雙方要求。力學性能方面:失效產(chǎn)品的屈服強度明顯低于GB/T 699-2015 的相關規(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)鋼材的強度、硬度和抗疲勞性能等方面均較低,服役時在產(chǎn)品臺階處易產(chǎn)生應力集中而導致失效。
通過對失效軸的受力情況分析,我們發(fā)現(xiàn)委托方在計算軸受力時出現(xiàn)了偏差,導致誤判了該軸在服役時受到了最大剪應力;因此雙方對該軸的強度要求較低,沒有選用軸承鋼或合金鋼,沒有要求進行熱處理,對軸承的力學性能參數(shù)也沒有具體規(guī)定。另外,在軸的圖紙設計方面,出現(xiàn)了明顯的收縮臺階,容易導致應力集中;而斷裂位置就在最小尺寸直徑的臺階處。
基于以上分析,本實驗室建議廠家選取GCr15 或42CrMo 等軸承鋼或合金鋼為原料,并且在產(chǎn)品加工成型后進行至少一次的調質熱處理以保證其強度和硬度。使用方也應該對產(chǎn)品硬度、強度、斷后伸長率等參數(shù)提出相應要求以保證其符合服役條件。此外在產(chǎn)品的尺寸設計方面,建議綜合考慮應力集中和材料疲勞等因素,避免臺階結構和應力集中。
益科德公司接受了本實驗室提出的改良方案,改良了設計圖紙并以42CrMo 為原料加工生產(chǎn)了新批次的風機軸。新軸的直徑約為80 mm,無軸徑變化,無明顯臺階狀起伏。為確認新產(chǎn)品質量,該公司再次委托本實驗室對改良后的風機軸進行了相關檢測。
此次,供購雙方規(guī)定產(chǎn)品力學性能參考ISO 683-2:2016(E)中對42CrMo4(40~100 mm 直徑棒材,調質態(tài))的相關規(guī)定。拉伸試驗結果見表3。
表3 42CrMo 軸力學性能檢測結果(對比ISO 683-2:2016(E))
室溫拉伸試驗的結果顯示:新軸的規(guī)定塑性延伸強度滿足ISO 683-2:2016(E)的要求;抗拉強度超過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)于標準規(guī)定。新軸的強度參數(shù)明顯優(yōu)于失效軸的相關參數(shù)。
此外,實驗室還根據(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 調質后洛氏硬度應為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。
樣品縱向(垂直于圓面方向)有較明顯的帶狀組織,應是軋制原料特點,參照GB/T 13299-1991 評定標準帶狀組織為5 級,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 鋼調質熱處理工藝特征,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性能方面會有較好的表現(xiàn)[5]。
改良后的42CrMo 軸在力學性能和金相組織方面明顯優(yōu)于以45#鋼為原料的失效軸。同時生產(chǎn)方也改進了產(chǎn)品尺寸設計,去掉了臺階結構,能夠保證產(chǎn)品無明顯的應力集中。
經(jīng)過本實驗室檢測后,益科德公司將改良后的42CrMo 軸生產(chǎn)工藝作為該公司風機軸生產(chǎn)的標準工藝,明確了產(chǎn)品在硬度、強度等方面需要達到相關國標要求。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。