304不銹鋼編碼器小軸斷裂原因

張 強(qiáng),章 偉,甘美露,王書強(qiáng),謝建平

[1.江蘇澄信檢驗(yàn)檢測認(rèn)證有限公司,江陰 214434；2.國家船舶材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(江蘇),江陰 214434]

304不銹鋼的常溫下顯微組織為穩(wěn)定奧氏體，具有良好的韌性、塑性和耐腐蝕性能，在核電、風(fēng)電、石油化工、機(jī)械設(shè)備等行業(yè)應(yīng)用廣泛。奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)較大，且冷卻時收縮應(yīng)力大，容易在焊縫處產(chǎn)生熱裂紋[1]。某編碼器小軸的材料為304不銹鋼，主要加工工藝為焊接，焊接方式為手工電弧焊，焊條牌號為A137焊條。該編碼器小軸安裝在風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙內(nèi)部，與風(fēng)電主軸連接，服役環(huán)境為大氣環(huán)境。在服役數(shù)月后，該編碼器小軸發(fā)生斷裂，筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)及能譜(EDS)分析等方法，分析了該編碼器小軸斷裂的原因，以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對斷裂的編碼器小軸進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：該編碼器小軸和底座由3根連接桿通過焊接方式連接，3根連接桿和中間小軸的連接處均發(fā)生斷裂，斷口均位于編碼器小軸和連接桿的焊接連接區(qū)域；3根連接桿斷裂后均有明顯的橫向位移，其中1#連接桿橫向位移最明顯，橫向位移達(dá)到12 mm；連接桿外側(cè)靠近斷裂位置附近可見明顯的外力撞擊變形，變形部位呈明顯的金屬光澤，與其他區(qū)域色澤差異顯著；連接桿斷口表面色澤灰暗、凹凸不平，表面已被明顯破壞，大部分區(qū)域較為光滑，部分區(qū)域斷口粗糙，斷口附近無其他裂紋及二次裂紋，判斷該斷裂表面光滑形貌為編碼器小軸在斷裂后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中，受到相互擠壓和摩擦的作用所致。

圖1 斷裂編碼器小軸的宏觀形貌

將編碼器小軸與連接桿焊接斷裂位置沿縱向切開，經(jīng)磨拋和10%(體積分?jǐn)?shù))草酸溶液電解腐蝕后觀察焊接區(qū)域的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)焊接成形良好，未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔、夾雜等焊接缺陷，除了斷裂面外未發(fā)現(xiàn)有向基體延伸的裂紋(見圖2)。

圖2 編碼器小軸焊縫區(qū)域經(jīng)磨拋、腐蝕后的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

按照GB/T 11170—2008 《不銹鋼多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，在斷裂編碼器連接桿和小軸處分別截取試樣，采用ARL4460型直讀光譜儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：連接桿中的碳元素含量超出GB/T 20878—2007 《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分》對304不銹鋼的要求，鉻元素含量低于GB/T 20878—2007的要求，其余各元素含量均符合GB/T 20878—2007的要求；小軸的化學(xué)成分符合GB/T 20878—2007的要求[2]。

表1 連接桿和小軸的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 硬度測試

沿斷裂編碼器小軸和連接桿焊接部位的縱向剖面截取試樣，并對其進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如表2所示，可見連接桿一側(cè)母材和熱影響區(qū)的硬度明顯偏高，遠(yuǎn)高于技術(shù)規(guī)范的要求(≤200 HV)。

表2 斷裂編碼器小軸和連接桿焊接部位的硬度測試結(jié)果 HV

1.4 SEM及EDS分析

將編碼器小軸在斷口附近沿橫向切開后，經(jīng)汽油+丙酮清洗后，用SEM進(jìn)行觀察，可見斷口中心部位表面光滑平整，斷裂特征已被破壞且無法分辨(見圖3)，分析認(rèn)為是編碼器小軸旋轉(zhuǎn)工作過程中裂紋反復(fù)張開閉合，裂紋斷口表面不斷受擠壓摩擦所致。斷口邊緣部位比較粗糙，呈明顯的撕裂特征(見圖4)，分析認(rèn)為是編碼器小軸裂紋擴(kuò)展到一定程度，有效截面積承受力超過強(qiáng)度極限后，發(fā)生快速斷裂所致。

圖3 斷口中心部位的SEM形貌

圖4 斷口邊緣部位的SEM形貌

用EDS對斷口中心部位及邊緣部位分別進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知：斷口中心的鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為18%，鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7%～7.5%；斷口表面的碳、氧、氮等元素含量較高，判斷為斷裂后表面形成氧化物所致，其他元素種類及含量與304不銹鋼無明顯差異[3]。

表3 斷口中心及邊緣部位的EDS分析結(jié)果 %

1.5 金相檢驗(yàn)

將編碼器小軸在斷口附近沿縱向切開后，經(jīng)磨拋、侵蝕后用光學(xué)顯微鏡對其進(jìn)行觀察，其非金屬夾雜物的微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：連接桿一側(cè)母材有明顯長條狀硫化物夾雜，部分長條狀夾雜物長度大于500 μm；小軸一側(cè)母材未發(fā)現(xiàn)明顯有害夾雜物。按照GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微鏡檢驗(yàn)法》中的A法進(jìn)行評定，連接桿一側(cè)母材夾雜物評級結(jié)果為，A類夾雜物等級為2.5級，B類夾雜物等級為0.5級，C類夾雜物等級為0級，D類夾雜物等級為0.5級。小軸一側(cè)母材夾雜物的評級結(jié)果為，A類夾雜物等級為0.5級，B類夾雜物等級為0級，C類夾雜物等級為0級，D類夾雜物等級為0.5級。

圖5 編碼器小軸非金屬夾雜物的微觀形貌

按照GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，沿編碼器小軸斷口附近縱向切開后，經(jīng)磨拋及10%(體積分?jǐn)?shù))的草酸溶液電解侵蝕后，進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：試樣呈明顯的焊接顯微組織特征，連接桿一側(cè)母材的組織為奧氏體+條帶狀鐵素體，并可見明顯的軋制流線，為較差的非等軸狀組織；小軸一側(cè)母材的組織為等軸奧氏體；焊縫組織主要為奧氏體+鐵素體，呈枝晶狀分布，焊縫組織正常，成形良好，未發(fā)現(xiàn)明顯的未焊透、氣孔等焊接缺陷；熱影響區(qū)的晶粒尺寸比遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的晶粒尺寸大，這是因?yàn)楹附訒r熱影響區(qū)的溫度較高，晶粒容易長大。

圖6 斷裂編碼器小軸的顯微組織形貌

2 綜合分析

304奧氏體不銹鋼具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)和較高的線膨脹系數(shù)，在進(jìn)行焊接時，焊接接頭會受到不均勻的加熱和冷卻，使焊縫區(qū)域產(chǎn)生較大溫差，焊接時母材會對焊接件產(chǎn)生剛性約束作用，加熱時焊接區(qū)域不能自由膨脹，冷卻時焊接區(qū)域不能自由收縮，導(dǎo)致焊接件在焊后產(chǎn)生變形和較大的焊接殘余應(yīng)力[4]。在焊接完成后，奧氏體不銹鋼的焊縫中心和熱影響區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力[5]。奧氏體不銹鋼的液相線與固相線距離較大，共晶時間較長，焊接結(jié)晶過程中的枝晶方向性較強(qiáng)，偏析現(xiàn)象比較嚴(yán)重，焊接區(qū)域附近容易脆化，韌性較差[6-8]。

該斷裂編碼器小軸連接桿中碳元素的含量偏高，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和硬度偏高，韌性和焊接性能偏低。編碼器小軸連接桿材料中夾雜物的含量較高，存在長條狀硫化物夾雜。材料的純凈度較差，雜質(zhì)含量較高，在焊接時產(chǎn)生雜質(zhì)偏析，形成低熔點(diǎn)共晶體，并在晶界處析出，進(jìn)一步降低了材料的韌性。較大的焊接殘余應(yīng)力、母材較高的碳元素含量和較差的材料純凈度導(dǎo)致焊接區(qū)域材料的韌性較差，當(dāng)服役過程中受到較大的外力沖擊作用時，編碼器小軸發(fā)生了脆性斷裂。

3 結(jié)論及建議

(1) 編碼器小軸斷裂的原因是：焊接區(qū)域存在較大的焊接殘余應(yīng)力，連接桿一側(cè)母材的碳元素含量較高及材料純凈度較差，導(dǎo)致焊接區(qū)域材料的韌性較差，當(dāng)編碼器小軸服役過程中受到較大的外力沖擊作用時，編碼器小軸發(fā)生了脆性斷裂。

(2) 建議把好原材料質(zhì)量關(guān)，選擇成分合格、純凈度高的304不銹鋼材料；焊接時控制焊接參數(shù)，焊后進(jìn)行整體熱處理以消除焊接殘余應(yīng)力；做好編碼器小軸的防護(hù)，防止受到外力的撞擊。