球墨鑄鐵QT500-7空壓機(jī)軸異常斷裂失效分析

修大鵬,張素卿,周吉學(xué),楊院生,韓青有

(山東省科學(xué)院新材料研究所,山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250014)

【新材料】

球墨鑄鐵QT500-7空壓機(jī)軸異常斷裂失效分析

修大鵬,張素卿,周吉學(xué),楊院生,韓青有

(山東省科學(xué)院新材料研究所,山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250014)

通過掃描電鏡對(duì)球墨鑄鐵QT500-7空壓機(jī)軸的斷口形貌、石墨形態(tài)和顯微組織等進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)軸的斷裂模式為疲勞斷裂，球化不良、石墨漂浮和晶粒粗大等缺陷是造成異常斷裂的主要原因。另外，在軸鍵槽的接刀痕處和軸螺紋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中也會(huì)在服役過程中誘發(fā)多源啟裂，導(dǎo)致其發(fā)生脆性斷裂失效。研究認(rèn)為，應(yīng)采取加強(qiáng)爐前檢測(cè)與金相理化分析、合理設(shè)計(jì)軸件結(jié)構(gòu)、避免在軸上高載荷區(qū)切制螺紋等預(yù)防改進(jìn)措施，保證球墨鑄鐵軸的質(zhì)量。

球墨鑄鐵；疲勞斷裂；應(yīng)力集中；球化不良

軸類零件作為空壓機(jī)設(shè)備中必不可少的關(guān)鍵部件，其工作狀況復(fù)雜，受到剪力、扭矩等因素的綜合影響，失效事故時(shí)有發(fā)生，往往造成嚴(yán)重事故和經(jīng)濟(jì)損失，質(zhì)量缺陷、疲勞斷裂、磨損腐蝕和塑性變形等是其較常見的失效形式[1]。導(dǎo)致空壓機(jī)軸斷裂失效的原因復(fù)雜多樣，僅僅采用頻繁更換斷裂軸的方法無法從根本上解決此問題[2]。因此，采用掃描電鏡等儀器從宏觀和微觀角度分析空壓機(jī)軸的斷裂失效原因，是從根本上解決機(jī)軸斷裂失效的一種有效手段[3]。

本文通過對(duì)某廠材質(zhì)為球墨鑄鐵QT500-7的斷裂軸進(jìn)行斷口形貌檢查、石墨形態(tài)分析及顯微組織檢測(cè)，進(jìn)行失效分析，尋找失效原因，并提出預(yù)防改進(jìn)措施。

1 儀器與材料

試驗(yàn)用儀器為SNE-3000MB掃描電子顯微鏡(韓國(guó)賽可有限公司)。試驗(yàn)用空壓機(jī)軸材質(zhì)為球墨鑄鐵QT500-7，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 QT500-7的化學(xué)成分

2 方法與結(jié)論

2.1 斷口宏觀分析

斷裂軸的實(shí)物照片如圖1所示，軸一側(cè)開有鍵槽，軸內(nèi)部空心，一端攻有螺紋，通過鍵等連接來傳遞載荷。軸在中間兩處斷裂為a、b、c 三部分?jǐn)嗝妫鴶嗝鎐又?jǐn)嗔褳閏1和c2兩部分。通過圖1可以看出，斷面c裂紋啟裂于內(nèi)螺紋根部，在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，斷口的開裂方向與軸向大致成45°角并擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展區(qū)無剪切唇，表明其不能承受載荷時(shí)突然發(fā)生斷裂。從圖1c斷面的c1、c2兩部分?jǐn)嗝婵梢钥闯觯鸭y起源于軸鍵槽接刀痕處，裂紋擴(kuò)展區(qū)亦無剪切唇，斷口走向很正，破斷面呈螺旋狀。觀察宏觀斷口特征，兩斷口均呈黑色，無金屬光澤，斷口有石墨脫落痕跡，均無明顯塑性變形，斷面存在較光亮磨損痕跡、具有拉壓應(yīng)力導(dǎo)致的表面磨損，表明斷裂時(shí)承受載荷較高，初步判定為扭轉(zhuǎn)疲勞脆性斷裂。

圖1 軸斷口宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the shaft fracture surface

2.2 顯微掃描電鏡分析

取圖1斷軸c的c1、c2兩部分碎塊，用酒精浸泡后，再用超聲振蕩清洗5 min，取出吹干，分別在掃描電鏡下觀察。軸斷口的微觀形貌如圖2所示，可見斷口晶粒粗大，晶粒表面平整，石墨斷裂脫落后留下的孔洞深且明顯，局部區(qū)域有石墨聚集現(xiàn)象(圖2a)，且石墨形狀不規(guī)則，大量顯微裂紋沿晶界擴(kuò)展，進(jìn)一步判定為沿晶脆性斷裂[4]。

圖2 軸斷口微觀形貌Fig.2 Micrographs of the shaft fracture surface

取圖1中間斷軸b碎塊，手工切平，磨制拋光后在掃描電鏡下觀察。如圖3所示，該軸所用球墨鑄鐵的石墨形態(tài)為開花狀、團(tuán)絮狀、厚片狀，另有少數(shù)球狀。根據(jù)GB/T 9441—2009 球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)[5]可判定球化率小于50%，球化級(jí)別6級(jí)。表明該球墨鑄鐵件球化不良，并且有明顯的石墨漂浮現(xiàn)象。石墨聚集分布，密集成串，易脫落，嚴(yán)重割裂金屬基體組織，導(dǎo)致力學(xué)性能較差。

圖3 斷裂軸的石墨形態(tài)Fig.3 Graphite morphology of the fractured shaft

將上述斷軸碎塊的拋光試樣用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精腐蝕后，在掃描電鏡下觀察斷軸的顯微組織，如圖4所示。圖4a顯示斷軸的顯微組織由大塊鐵素體和少量珠光體構(gòu)成，按照GB/T 9441—2009，測(cè)定珠光體含量小于25%。圖4b中珠光體的層片結(jié)構(gòu)清晰可見，晶粒粗大，晶界未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀磷共晶或其他晶界致脆物。鐵素體晶粒晶界處，粗大畸形的石墨密集分布，不僅造成組織松散，而且表明碳的擴(kuò)散距離較短，導(dǎo)致石墨周圍出現(xiàn)大塊的純鐵素體組織，這種缺陷使球墨鑄鐵力學(xué)性能惡化，強(qiáng)度急劇下降[6]。

圖4 斷裂軸的顯微組織Fig.4 Micro-structure of the fractured shaft

2.3 扭轉(zhuǎn)圓軸應(yīng)力分析

當(dāng)圓軸受到扭矩載荷T作用時(shí)，截面邊緣處的剪應(yīng)力τ最大。

(1)

對(duì)空心軸，抗扭截面系數(shù)Wt可表示為

(2)

其中，R為軸的外半徑，r為內(nèi)半徑，α=r/R。從圖5a可計(jì)算得到空心軸截面剪應(yīng)力τ：

(3)

圓軸受扭時(shí)內(nèi)部各點(diǎn)處于平面應(yīng)力狀態(tài)。此時(shí)，主平面的主應(yīng)力σ可通過剪應(yīng)力來表示：

(4)

當(dāng)斷面與軸向呈±45°角時(shí)，σx=σy=0， 純剪切下的兩個(gè)主應(yīng)力相等：σmax=τ，σmin=-τ，但一為拉應(yīng)力，一為壓應(yīng)力。球磨鑄鐵圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，最大拉應(yīng)力與軸向成45°，相應(yīng)裂紋源分別沿45°斜側(cè)方向擴(kuò)展，軸件在最大拉應(yīng)力作用下沿45°方向拉斷而破壞，如圖5b所示。

圖5 扭轉(zhuǎn)圓軸的應(yīng)力狀態(tài)Fig.5 Stress state of torqued circular shaft

圓軸純扭矩運(yùn)動(dòng)時(shí)彈性應(yīng)力分布表面最大，正常情況下裂紋應(yīng)從表面萌生，向內(nèi)部擴(kuò)展至斷裂[5]。而實(shí)際應(yīng)用中軸往往加工出鍵槽等結(jié)構(gòu)，加工過程中會(huì)產(chǎn)生各種缺口，如鍵槽和螺紋的加工相當(dāng)于產(chǎn)生了尖形缺口，缺口尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子達(dá)到很高水平，造成局部應(yīng)力集中而改變軸的應(yīng)力分布，導(dǎo)致最大應(yīng)力點(diǎn)不再發(fā)生在軸的外緣，而可能位于加工所造成的尖角或刀痕處。

2.3 結(jié)論

通過斷軸宏觀斷口、微觀斷口及顯微組織檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該軸破斷點(diǎn)始于螺紋根部和鍵槽接刀痕處，斷面呈沿晶斷口形貌，無明顯塑性變形，這是因?yàn)殒I槽、螺紋的加工破壞了基體組織連續(xù)性，尖角或刀痕處局部因缺口效應(yīng)形成應(yīng)力集中，軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中于應(yīng)力集中處萌生裂紋，應(yīng)力集中越嚴(yán)重裂紋產(chǎn)生越早[7]。同時(shí)斷裂軸因存在材質(zhì)球化不良等組織缺陷，造成畸形石墨較多，畸形石墨聚集分布，破壞了基體的連續(xù)性，強(qiáng)度和塑韌性弱化，直接降低了斷裂軸的力學(xué)性能，造成軸的有效承載面積迅速減小至不能承受載荷而突然開裂，多源裂紋沿石墨界面和基體晶界快速擴(kuò)展，這是造成該軸脆性斷裂的主要原因。

3 預(yù)防措施

(1)要保證球墨鑄鐵件的質(zhì)量。除對(duì)球化和孕育處理嚴(yán)格控制外，一方面要對(duì)鑄造澆注溫度、冷卻溫度和停留時(shí)間等環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制；另一方面在生產(chǎn)時(shí)需注意澆冒口、澆注位置的改進(jìn)，防止鐵液氧化[8]，以獲得球化良好、均勻的石墨和優(yōu)良的基體組織；最后，要加強(qiáng)爐前檢測(cè)與金相理化分析，以保證球墨鑄鐵軸的質(zhì)量。

(2)在鍵與軸的配合件中，交變扭轉(zhuǎn)多經(jīng)過鍵來傳遞，鍵槽等軸上的縱向溝槽易引起應(yīng)力集中。為減少應(yīng)力集中，應(yīng)合理計(jì)算鍵槽根部的過渡圓角值，加工時(shí)避免刀痕過深[9]，在軸上切制螺紋應(yīng)盡量避免在高載荷區(qū)加工，對(duì)于加工產(chǎn)生的毛刺應(yīng)予以清除，以減少裂紋啟裂機(jī)率并抑制裂紋快速擴(kuò)展。

[1]李源昊.空壓機(jī)曲軸加工工藝改進(jìn)探究[J].南方農(nóng)機(jī),2017(2):35.

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[4]顏婧,馮繼軍,張?chǎng)蚊?，?某空壓機(jī)曲軸斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016,52(12):884-887.

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[9]李有堂,田利,段紅燕.扭轉(zhuǎn)載荷下環(huán)形缺口圓軸的統(tǒng)一模型及斷裂準(zhǔn)則[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010, 36(1):37-39．

FailureanalysisforabnormalfractureofnodularcastironQT500-7aircompressorshaft

XIUDa-peng,ZHANGSu-qing,ZHOUJi-xue，YANGYuan-sheng，HANQing-you

(ShandongProvincialKeyLaboratoryforHighStrengthLightweightMetallicMaterials,AdvancedMaterialsResearchInstitute，ShandongAcademyofSciences,Jinan250014,China)

∶Through scanning electron microscopy, the fracture morphology, graphite morphology and microstructure of the nodular cast iron QT500-7 air compressor shaft were observed. The results indicated that the fracture mode of this shaft belonged to fatigue fracture, and such defects as abnormal nodularizing, floating of graphite and the coarse grains were the important factors causing the abnormal fracture. In addition, the stress concentration near the keyway point and thread root could also initiate the multi-source crack in service, leading to the brittle fracture failure. Therefore, this paper proposed that preventive measures should be strengthened such as furnace examination and metallographic analysis, reasonable shaft structure and avoiding cutting thread in high load area on shaft to ensure the quality of nodular cast iron shaft.

∶nodular cast iron; fatigue fracture; stress concentration; abnormal nodularizing

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.007

2017-04-10

修大鵬(1981—)，男，助理研究員，研究方向金屬材料或無機(jī)非金屬材料在各領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。E-mail:xiudapeng@126.com

TG255

A

1002-4026(2017)06-0041-04