泵軸斷裂原因分析

張海亮

（上海電氣凱士比核電泵閥有限公司，上海 201306）

太倉港環(huán)保發(fā)電有限公司從我公司購買的NLT500-570×4S冷凝泵002#泵，于2008年8月31日交用戶使用,在一年后泵軸發(fā)生斷裂,斷后形貌及斷口位置見圖1、圖2所示。

圖1 斷后形貌一

圖2 斷后形貌二

公司要求我部門對泵軸斷裂產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，找出產(chǎn)生該問題的癥結(jié)，以防止再次出現(xiàn)類似問題，為此，筆者進(jìn)行了下列工作：

1.理化分析；

2.金相分析；

3.宏觀斷口分析；

4.斷口位置分析。

從該斷軸B面斷口半根軸上沿軸向方向切取1片20mm和1片120 mm長的本體材料，分別作為金相試樣、力學(xué)性能和化學(xué)成分分析試樣。取樣位置詳見圖3所示。

圖3 取樣位置

1.成分分析

化學(xué)成分用直讀式光譜儀直接測出,數(shù)據(jù)見表1?？梢姅噍S化學(xué)成分分析結(jié)果符合GB/T 3077-1999標(biāo)準(zhǔn)。

表1 斷軸本體（化學(xué)成分/%）

2.力學(xué)性能

斷軸本體取樣，制備2根拉伸試樣、3只沖擊試樣,拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)GB228-2009和GB229-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，GB231.1-2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行硬度試驗(yàn)。測試結(jié)果見表2。

表2 斷軸本體取樣力學(xué)性能

斷軸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果：其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度太低，硬度偏高。故該泵軸材料42CrMo不符合GB/T 3077-1999標(biāo)準(zhǔn)。

3.金相分析

近B面斷口沿軸向20mm處切取的金相試樣，試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后獲得的100倍及500倍金相組織見圖4和圖5。

圖4 金相組織100X

圖5 金相組織500X

金相試樣經(jīng)顯微鏡放大100倍和500倍觀察結(jié)果及結(jié)論如下：

夾雜物：約0.5級；

金相組織：回火索氏體+回火馬氏體+屈氏體

屈氏體含量約為35%左右，呈網(wǎng)狀分布，且金相組織也偏粗。

該泵軸材料42CrMo鍛件調(diào)質(zhì) （淬火+高溫回火）狀態(tài)的金相組織不能接受，其熱處理存在問題。

4.宏觀斷口分析

對該泵軸A、B面斷口進(jìn)行清洗后所觀察到的宏觀斷口形貌見圖6、圖7。宏觀斷口包含3個(gè)區(qū)，即：裂紋起始區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后重力破壞瞬時(shí)斷裂區(qū)。

圖中白色部分是由于泵軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中突然發(fā)生斷裂，斷軸還沒有停止轉(zhuǎn)運(yùn)，A、B斷面相互碰撞擠壓造成的痕跡。

從A、B面斷口形貌可以明顯地看出，該泵軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中長期受到交變載荷作用，產(chǎn)生疲勞裂縫致使泵軸發(fā)生斷裂，且疲勞裂紋起始于泵軸臺階處的工藝退刀槽表面向內(nèi)部擴(kuò)展。疲勞破斷區(qū)的面積約占總面積的80%，而瞬時(shí)破斷區(qū)僅占20%左右。在疲勞破斷區(qū)中可見清晰的海灘紋 （疲勞弧線）痕跡，而在瞬時(shí)破斷區(qū)中可見粗晶狀痕跡，詳見圖8。

圖8 疲勞斷口

5.斷口位置

該泵軸斷口位置距軸端 （裝聯(lián)軸器一端）1858mm位于工藝退刀槽處，見圖9、圖10。斷口距槽壁最大約2.5mm斷口距槽壁最小約0.5mm

由于該軸工藝退刀槽破壞，其實(shí)際結(jié)構(gòu)形狀尺寸難以測量，但大致情況如下，見圖11所示。

從圖中可以看出工藝退刀槽圓弧底與二側(cè)面連接不良，形成尖角或R過渡過小，在此處應(yīng)力較集中；且工藝退刀槽加工不光滑，存在刀具車削痕跡；又由于退刀槽是材料力學(xué)危險(xiǎn)截面，所以該泵軸退刀槽處就容易發(fā)生斷裂。

圖9 斷口位置A面

圖10 斷口位置B面

圖11 工藝退刀槽結(jié)構(gòu)形狀

6.結(jié)論

綜合以上分析，太倉港環(huán)保發(fā)電有限公司NLT500-570×4S002#冷凝泵，泵軸發(fā)生斷裂是由以下三方面因素所致：

6.1 泵軸材質(zhì)不符合GB/T 3077—1999標(biāo)準(zhǔn)

該泵軸的42CrMo鍛件化學(xué)成分雖然符合要求，但熱處理有問題，其金相組織不正常，且存在大量呈網(wǎng)狀分布的屈氏體，組織也偏粗，這使材料力學(xué)性能大幅度下降，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)相比分別下降約 26%和 35%（下降 280和 320Mpa），不符合泵軸設(shè)計(jì)要求，從而大大降低了該泵軸的承載能力及抗疲勞能力。

6.2 交變載荷

冷凝泵在運(yùn)行過程中，泵軸長期受到交變載荷作用，出現(xiàn)疲勞裂縫，且疲勞裂紋起始于泵軸臺階處的工藝退刀槽表面向內(nèi)部延伸，直到發(fā)生重力瞬時(shí)斷裂。

6.3 工藝退刀槽

由于退刀槽圓弧底與槽壁連接存在尖角或R過渡過小，以及槽形不夠光滑，留有刀具車削痕跡，比較粗糙,形成應(yīng)力集中，且退刀槽是該泵軸的危險(xiǎn)截面，故工藝退刀槽是本次斷裂的一個(gè)誘發(fā)因素。

由于以上三個(gè)方面因素的疊加，導(dǎo)致了該泵軸的本次斷裂。

6.4

應(yīng)該改進(jìn)該泵軸的熱處理工藝,使其力學(xué)性能和金相組織符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)加大工藝退刀槽的R,使之光滑過渡,并提高退刀槽光潔度，減少應(yīng)力集中。

[1]史美堂.金屬材料及熱處理[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1980.

[2]孫 智，江 利，應(yīng)鵬展.失效分析：基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.