龔 侯，林楚新

(中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

葉輪轉(zhuǎn)軸斷裂分析

龔 侯，林楚新

(中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

葉輪轉(zhuǎn)軸在工作中斷裂，通過(guò)對(duì)故障轉(zhuǎn)軸及其斷口進(jìn)行宏微觀檢查、砂輪越程槽圓角半徑測(cè)量、金相組織觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試等，對(duì)斷裂原因進(jìn)行分析，并對(duì)轉(zhuǎn)軸相關(guān)零組件進(jìn)行完整性分析。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)軸斷口性質(zhì)為疲勞斷裂，裂紋源在砂輪越程槽底部；葉輪偏載是導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸發(fā)生疲勞斷裂的主要原因；轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度和硬度偏高,對(duì)裂紋萌生和擴(kuò)展有較大的促進(jìn)作用；建議轉(zhuǎn)軸調(diào)質(zhì)前粗車(chē)臺(tái)階或調(diào)整熱處理制度，改善裂紋源處組織，提高轉(zhuǎn)軸疲勞壽命。

轉(zhuǎn)軸；疲勞斷裂；偏載；調(diào)質(zhì)；熱處理制度

0 引言

45鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，硬度不高且易切削加工。調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是一些在交變負(fù)荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類(lèi)等零件。近年來(lái)，這類(lèi)零件受到交變、振動(dòng)等載荷的作用快速增加，其中由疲勞引起的失效案例也日漸增多。失效主要是指某零部件由于某種原因?qū)е鲁叽纭⒉牧系慕M織或性能等的變化而不能圓滿(mǎn)地完成指定的功能。失效的形式主要有斷裂、腐蝕和磨損3種，其中以斷裂的危害最大。

立式離心風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)軸材料為φ45 mm的45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。該風(fēng)機(jī)的電機(jī)和葉輪為垂直安裝，葉輪位于電機(jī)的上方，正常工作時(shí)有變速和停機(jī)過(guò)程，其中葉輪為焊接結(jié)構(gòu)，與轉(zhuǎn)軸為錐套接，平鍵傳扭。該類(lèi)葉輪轉(zhuǎn)軸在出廠使用6年左右后相繼有多件在工作中發(fā)生斷裂，且轉(zhuǎn)軸的斷裂位置均發(fā)生在葉輪安裝位置的砂輪越程槽槽底圓角R0.5處。為查明離心風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)軸斷裂的原因，選擇其中1件轉(zhuǎn)軸斷口分析，通過(guò)對(duì)斷口宏微觀觀察、非金屬夾雜檢驗(yàn)、顯微金相組織檢驗(yàn)、砂輪越程槽槽底圓角半徑測(cè)量等，分析其斷裂原因并提出相應(yīng)措施，對(duì)避免類(lèi)似原因造成的轉(zhuǎn)軸斷裂具有一定的參考和借鑒作用。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

轉(zhuǎn)軸斷裂處位于砂輪越程槽，槽底呈黃褐色；轉(zhuǎn)軸的前后軸承之間有明顯的溫色[1]殘留(褐色+藍(lán)色)，轉(zhuǎn)軸兩端有陳舊的銹蝕，斷口附近外圓可見(jiàn)清晰的平行軸向損傷，應(yīng)為卸軸承過(guò)程中人為造成；斷口右側(cè)有幾處磨損帶，前軸承安裝位置兩端呈暗色有微動(dòng)磨損，軸肩有輕微磨損，可見(jiàn)藍(lán)色溫色；后軸承安裝處可見(jiàn)輕微的淺黃褐銹蝕色，軸肩有磨損痕跡且有偏磨現(xiàn)象，靠近最早裂紋源斷面一側(cè)磨損相對(duì)較重(圖1)。

斷口斷面大約有1/3是基本位于砂輪越程槽R0.5的底部，呈深褐銹蝕色，可見(jiàn)明顯的棱線(xiàn)，斷口周邊呈鋸齒形態(tài)；1/6斷面是位于砂輪越程槽R0.5下方的平鍵處，呈褐色，可見(jiàn)明顯的放射棱線(xiàn)；1/2的斷面呈45°大斜斷面位于平鍵對(duì)側(cè)，較新鮮，為最后斷裂區(qū)，斷面有大量研磨痕和損傷，呈暗灰色，斷面外圓表面(葉輪安裝位置)可見(jiàn)圓周上的磨損帶和咬合(圖2)。

轉(zhuǎn)軸斷口前期(最早的鋸齒狀裂紋)主要作用應(yīng)力為交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力+拉彎應(yīng)力，后期(次生裂紋源)為大拉彎應(yīng)力。1/2斷面棱線(xiàn)清晰呈深褐銹蝕色。1/2斷口為45°的大斜斷面，為最后斷裂區(qū)，主要作用應(yīng)力為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

圖1 斷裂轉(zhuǎn)軸Fig.1 Fractured rotating shaft

圖2 轉(zhuǎn)軸斷口宏觀形貌Fig.2 Fracture macroscopic morphology of the rotating shaft

1.2 磁粉檢測(cè)

對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行磁粉檢測(cè)。結(jié)果顯示故障軸砂輪越程槽內(nèi)一周可見(jiàn)大量鋸齒狀裂紋(最早裂紋源)和2條較長(zhǎng)裂紋，其他位置未見(jiàn)裂紋顯像(圖3)。

1.3 宏觀觀察

在體視鏡下檢查發(fā)現(xiàn)，斷口早期裂紋源處斷面外緣呈鋸齒狀，裂紋擴(kuò)展棱線(xiàn)明顯，裂紋源位于砂輪越程槽底部，呈鋸齒狀，槽底還可見(jiàn)大量鋸齒狀的裂紋(最早裂紋源)，槽底呈黃褐色，有明顯的周向車(chē)刀痕(圖4a)。斷口最早裂紋源外表面附近可見(jiàn)磨損咬合，還可見(jiàn)明顯的陳舊的銹蝕痕跡(圖4b)。斷口最后斷裂區(qū)的外圓表面(葉輪安裝位置)局部有嚴(yán)重的磨損咬合，說(shuō)明該處擠壓應(yīng)力較大，葉輪的擺動(dòng)較嚴(yán)重(圖4c)。

1.4 微觀觀察

將觀察試樣用酒精超聲波清洗，放入掃描電鏡檢查。

斷口源區(qū)電鏡拼圖見(jiàn)圖5a。最后斷裂區(qū)偏向平鍵對(duì)面一側(cè)，且占整個(gè)斷面面積1/2。斷口最早裂紋源在砂輪越程槽底部，呈鋸齒狀，部分已經(jīng)開(kāi)放成為斷面的外邊緣，外邊緣區(qū)域鋸齒因擠壓變得相對(duì)較平坦，前期主要是交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力+拉彎應(yīng)力作用；往內(nèi)鋸齒狀相對(duì)較完整，并開(kāi)始出現(xiàn)次生裂紋源，周向擴(kuò)展。裂紋早期在交變扭轉(zhuǎn)+拉彎應(yīng)力作用下，分別沿著±45°兩側(cè)斜正交方向擴(kuò)展，相鄰裂紋相交后形成鋸齒狀斷口[2]，同時(shí)彎曲應(yīng)力導(dǎo)致的擠壓作用也比較明顯(圖5b)。早期裂紋源的鋸齒斷面上的擴(kuò)展形貌被擠壓磨損和氧化銹蝕，難以看到原始細(xì)節(jié)。斷面的擴(kuò)展區(qū)也被嚴(yán)重污染和磨損，但擴(kuò)展區(qū)局部位置可見(jiàn)疲勞條帶(圖5c)。裂紋經(jīng)歷前期的鋸齒面擴(kuò)展和次生裂紋擴(kuò)展后，承力截面進(jìn)一步減??；在扭轉(zhuǎn)大應(yīng)力的作用下，形成平鍵對(duì)面一側(cè)1/2斷面呈45°大斜面，大斜面的微觀形貌為韌窩，為最后斷裂瞬斷區(qū)。

轉(zhuǎn)軸斷口性質(zhì)為疲勞；最早裂紋源處未見(jiàn)有明顯的加工刀痕、冶金缺陷和其他損傷。

圖3 磁粉檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Result of magnetic particle testing

圖4 體視鏡檢查結(jié)果Fig.4 Results of stereoscopy test

圖5 斷口微觀形貌Fig.5 Micro-morphology of fracture

1.5 金相及相關(guān)檢查

經(jīng)冷酸浸蝕的橫向低倍試片的正反面上均沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的縮孔、氣泡、夾雜、裂紋、翻皮和白點(diǎn)，低倍組織一般疏松0.5級(jí)，中心疏松1.5級(jí)，參考GB/T 699—2015的優(yōu)質(zhì)鋼等級(jí)為符合。但是低倍試樣的正反面均可在1/2R附近位置見(jiàn)白色的錠型(圖6a)，白色的錠型形成原因需進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)檢查后再進(jìn)行確認(rèn)。

對(duì)故障轉(zhuǎn)軸斷口附近取縱向金相試樣，低倍試樣上取橫向金相試樣，縱向組織進(jìn)行非金屬夾雜評(píng)級(jí)，其中脆性?shī)A雜物1.0級(jí)，塑性?shī)A雜1.5級(jí)，參考GJB 1951—1994的2組為符合(圖6b)。

故障轉(zhuǎn)軸縱向金相組織(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精浸蝕)，晶粒度8級(jí)。轉(zhuǎn)軸斷口附近的金相組織為網(wǎng)狀鐵素體+索氏體，說(shuō)明淬透性不夠，或轉(zhuǎn)軸未粗車(chē)調(diào)質(zhì)(圖6c)；表層為索氏體組織；1/2R處為索氏體組織+少量鐵素體；中心處為珠光體組織+少量鐵素體+少量網(wǎng)狀鐵素體(圖6d)。

故障轉(zhuǎn)軸橫向金相組織表層為索氏體+少量鐵素體組織；1/2R處為索氏體組織+鐵素體(圖6e)；白色錠型區(qū)域?yàn)樗魇象w組織+網(wǎng)狀鐵素體(圖6f)；中心為珠光體組織+鐵素體。

圖6 金相檢查結(jié)果Fig.6 Microstructure examination results

用金相法對(duì)轉(zhuǎn)軸的砂輪越程槽R進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得R為0.836 mm，符合設(shè)計(jì)要求(R≥0.5 mm)。

為了確定橫向金相試樣的白亮區(qū)是否存在成分偏析，對(duì)橫向金相試樣進(jìn)行面掃描，從面掃描結(jié)果來(lái)看，白亮區(qū)不存在明顯的成分偏析。

1.6 力學(xué)性能檢測(cè)

測(cè)試故障件室溫力學(xué)性能(工作直徑φ5 mm)，按常規(guī)，45鋼的屈服強(qiáng)度σs應(yīng)取下屈服點(diǎn)σeL，取樣位置見(jiàn)圖1；測(cè)試低倍試樣(試樣1)與化學(xué)成分試樣(試樣2)上的心部和1/2R處的布氏硬度值(HBW 10/3 000)，基本都已經(jīng)超出上限值。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

1.7 化學(xué)成分分析

在圖1中指定位置鉆樣做化學(xué)成分分析，符合GB/T 699—2015中的要求。

2 分析與討論

1)轉(zhuǎn)軸斷裂處的受力分析。

該風(fēng)機(jī)為立式安裝。轉(zhuǎn)軸斷裂處的受力為：

表1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

變載扭矩+總體不平衡量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)彎曲+葉輪工作產(chǎn)生的拉應(yīng)力+停機(jī)慣性產(chǎn)生的各種力(包括反扭矩)。據(jù)了解，轉(zhuǎn)子總裝和葉輪都是單獨(dú)做的動(dòng)平衡檢查，無(wú)法組合檢查，所以組合后反而是不平衡的(在有限范圍內(nèi))，必然形成偏心載荷。

標(biāo)準(zhǔn)要求葉輪動(dòng)平衡量為總量不大于0.3 g，故障風(fēng)機(jī)的葉輪實(shí)測(cè)為：后輪盤(pán)0.74 g，前輪盤(pán)1.19 g。拆卸下來(lái)的故障風(fēng)機(jī)葉輪不平衡量總量為1.93 g，大于其最大允許值(0.3 g)。前輪盤(pán)跳動(dòng)3.5 mm，要求小于3 mm，后輪盤(pán)跳動(dòng)3 mm，要求小于2 mm，兩者的跳動(dòng)均不滿(mǎn)足要求。葉輪喇叭口擺動(dòng)有3.5～4 mm。但是平衡量和跳動(dòng)均為故障后拆下再測(cè)量，拆的時(shí)候完全有可能會(huì)有新的變形改變平衡量。

轉(zhuǎn)軸與葉輪中心孔上的擺動(dòng)微動(dòng)磨損嚴(yán)重，說(shuō)明風(fēng)機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)葉輪擺動(dòng)是明顯的，這對(duì)轉(zhuǎn)軸裂紋源會(huì)形成額外的拉彎應(yīng)力，有利于裂紋源的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

2)零部件的完整性。

轉(zhuǎn)軸斷口附近的砂輪越程槽槽底R(shí)實(shí)測(cè)值為0.836 mm，符合R≥0.5 mm的設(shè)計(jì)要求。檢查發(fā)現(xiàn)的刀痕對(duì)裂紋源沒(méi)有明顯的貢獻(xiàn)。轉(zhuǎn)軸為φ45 mm的45鋼，棒料經(jīng)調(diào)質(zhì)處理未淬透是正?，F(xiàn)象。因此，從該失效的轉(zhuǎn)軸的金相組織來(lái)看還屬正常。

轉(zhuǎn)軸斷裂處的砂輪越程槽端面邊緣有擠壓磨損(與葉輪)痕跡，說(shuō)明葉輪有擺動(dòng)，額外的拉彎應(yīng)力，有利于裂紋源的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

3)材質(zhì)分析。

轉(zhuǎn)軸材料的成分、組織、晶粒度、夾雜、室溫拉伸、沖擊功正常。

斷口邊緣的組織為網(wǎng)狀鐵素體+索氏體，說(shuō)明該處未淬透，應(yīng)是調(diào)質(zhì)前未粗車(chē)臺(tái)階，而網(wǎng)狀鐵素體的存在對(duì)于疲勞壽命有一定的影響[3-5]。調(diào)質(zhì)態(tài)索氏體組織能有效提高轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度和疲勞性能，所以調(diào)質(zhì)前粗車(chē)臺(tái)階將有利于轉(zhuǎn)軸斷裂紋源區(qū)淬透轉(zhuǎn)變成為全索氏體組織，或者適當(dāng)調(diào)整熱處理制度，避免出現(xiàn)未淬透現(xiàn)象，提高疲勞壽命。

低倍橫截面可見(jiàn)中心疏松，值得引起注意，但對(duì)于轉(zhuǎn)軸的斷裂無(wú)貢獻(xiàn)作用；低倍1/2R附近可見(jiàn)白色的錠型，該區(qū)域金相組織為網(wǎng)狀鐵素體+索氏體，而靠近1/2R處為索氏體組織+鐵素體，靠近中心處為珠光體組織+鐵素體[6]，該白色的錠型區(qū)域的面掃結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)成分偏析，因此組織的區(qū)別導(dǎo)致在腐蝕過(guò)程中出現(xiàn)選擇性腐蝕從而形成白色的錠型，并不是原材料狀態(tài)的低倍特征。

在低倍試樣和化學(xué)成分分析試樣的1/2R和中心位置測(cè)試硬度，發(fā)現(xiàn)硬度值接近或者超出上限值，硬度偏高對(duì)于轉(zhuǎn)軸的沖擊韌性會(huì)有一定的影響，同時(shí)會(huì)促進(jìn)疲勞裂紋的擴(kuò)展。從表1中的測(cè)試數(shù)據(jù)還可以看出：抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度偏高，分別高于最低要求值的39%和67%，將造成缺口位置處的應(yīng)力集中敏感性增大，使疲勞萌生壽命降低，并使疲勞擴(kuò)展速率加快。轉(zhuǎn)軸的裂紋源在砂輪越程槽R處，正好是轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的缺口應(yīng)力集中處，可以通過(guò)調(diào)整熱處理制度，適當(dāng)?shù)慕档陀捕群蛷?qiáng)度，從而降低轉(zhuǎn)軸的缺口敏感性，提高其疲勞壽命。

4)轉(zhuǎn)軸斷口的性質(zhì)和斷裂模式。

轉(zhuǎn)軸斷口可見(jiàn)疲勞條帶痕跡，其性質(zhì)為疲勞斷裂。轉(zhuǎn)軸斷口裂紋源在斷面的邊緣，開(kāi)始主要沿著±45°兩個(gè)側(cè)斜方向擴(kuò)展(交變張應(yīng)力最大方向)，相鄰裂紋相交后形成鋸齒狀。轉(zhuǎn)軸的斷口前期主要作用應(yīng)力為交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力+拉彎應(yīng)力[7-10]。次生裂紋源斜向擴(kuò)展，說(shuō)明此時(shí)主要應(yīng)力為拉彎；偏載的旋轉(zhuǎn)彎曲和擺動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生拉彎應(yīng)力。最后過(guò)載斷裂區(qū)的45°大斜斷面位于平鍵對(duì)面一側(cè)，此時(shí)主要應(yīng)力為大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

轉(zhuǎn)軸性質(zhì)為疲勞斷裂，交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力+拉彎應(yīng)力(葉輪偏載+擺動(dòng))是導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸開(kāi)裂的主要因素。

5)改進(jìn)建議。

葉輪工作過(guò)程中可能會(huì)有附著污染，導(dǎo)致偏載加大，應(yīng)及時(shí)去除。

建議一方面重點(diǎn)解決葉輪工作時(shí)出現(xiàn)的較大偏載和擺動(dòng)；另一方面，轉(zhuǎn)軸調(diào)質(zhì)前粗車(chē)臺(tái)階或調(diào)整熱處理制度，改善斷裂起源處組織，提高轉(zhuǎn)軸疲勞壽命。

3 結(jié)論

1)轉(zhuǎn)軸斷口性質(zhì)為疲勞斷裂，裂紋源在砂輪越程槽底部。

2)交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力+拉彎應(yīng)力(葉輪偏載+擺動(dòng))是導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸開(kāi)裂的主要因素。

3)轉(zhuǎn)軸的硬度偏高，使得對(duì)缺口敏感性加大，對(duì)裂紋萌生和擴(kuò)展有較大的促進(jìn)作用。

4)建議轉(zhuǎn)軸調(diào)質(zhì)前粗車(chē)臺(tái)階或者適當(dāng)?shù)恼{(diào)整熱處理制度，改善斷裂起源處組織，提高轉(zhuǎn)軸疲勞壽命。

[1] 繆宏博,劉高揚(yáng),石國(guó)全,等. 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料溫色圖譜[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010:82-83.

[2] 張棟,鐘培道,陶春虎,等. 失效分析[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004:138-141.

[3] 顧寶蘭,張雪濤,徐彤. 45鋼電機(jī)軸斷裂分析[J]. 理化檢驗(yàn):物理分冊(cè),2013,49(5):327-329.

[4] 陳俊健. 45鋼驅(qū)動(dòng)軸斷裂原因分析[J]. 機(jī)械工程師,2013(5):5-7.

[5] 楊勇,施鋼,馮文萊,等. 輕型客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸斷裂原因分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2016,11(1):17-20.

[6] 唐家耘,陳耘,趙潔,等. 汽車(chē)前驅(qū)動(dòng)軸斷裂失效原因分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2015,10(4):243-247.

[7] 初泰安. 離心泵主軸斷裂失效分析[J]. 熱加工工藝,2015,44(20):241-242.

[8] 鄭真,張兵,趙劍. 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸斷裂分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2016,11(4):261-264.

[9] 張濤,高云鵬,田峰,等. 電站汽動(dòng)給水泵OCr13Ni4Mo不銹鋼主軸斷裂失效分析[J]. 理化檢驗(yàn):物理分冊(cè),2015,51(10):725-729.

[10] 焦麗,王國(guó)亮,徐向陽(yáng),等. 柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析[J]. 金屬熱處理,2015,40(8):195-198.

Fracture Analysis of Rotating Shaft of Impeller

GONG Hou，LIN Chu-xin

(AECCHunanPowerplantResearchInstitute,HunanZhuzhou412002,China)

The rotating shaft of an impeller fractured during working. Macro and micro observation, size measurement, macro and microstructure examination, chemical composition analysis, hardness and mechanical properties testing were carried out to find out the cause for the fracture. In addition, integrity analysis was conducted for the related components. The results show that the failure mode of the rotating shaft is fatigue fracture. Cracks initiated at the bottom of the grinding wheel groove. The main cause for the cracking is the unbalanced load on the impeller. The hardness and strength of the shaft is higher, promoting the initiation and propagation of the cracks. It is suggested that rough turning should be performed on the steps of the shaft before quenching or the heat treatment process should be adjusted so that the microstructure of the cracking source zone can be improved and the fatigue life can be increased.

rotating shaft; fatigue fracture; unbalanced load; quenching and high temperature tempering; heat treatment process

2017年2月5日

2017年3月31日

龔侯(1988年-)，女，工程師，主要從事金屬材料失效分析和物理冶金等方面的研究。

TG115; TG142

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.02.007

1673-6214(2017)02-0107-05