謝一麟，熊立斌，孟若愚，區(qū)炳顯

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 無錫 214174）

1 基本情況

某公司此類型多臺干燥機(jī)耙干軸在運(yùn)行2年左右開始發(fā)現(xiàn)裂紋，3年左右出現(xiàn)斷裂，開裂集中出現(xiàn)在軸的中段，靠近中間進(jìn)料口，橫向（環(huán)向）開裂。圖1中為失效攪拌軸拼圖，該部件為1臺12m3耙式真空干燥機(jī)的攪拌主軸。主軸驅(qū)動電動機(jī)功率為37Kw，主軸轉(zhuǎn)速為7r/Min，設(shè)計設(shè)備內(nèi)工作溫度45℃，介質(zhì)是樹脂、甲醇。耙干軸整體長度為7.4m。中間耙齒段為長約6m，外徑為220mm，壁厚為40mm的S30400不銹鋼件，兩端部分為實心鍛件。本次失效軸裂紋有12處，裂穿8處，裂穿處內(nèi)壁可見介質(zhì)滲出，在內(nèi)表面形成白色凸起，見圖2。最嚴(yán)重裂紋距電機(jī)軸端面4.2m處，在從電機(jī)軸端面開始的第8和第9齒之間（每排共13齒）。耙齒及軸上的白色物質(zhì)為介質(zhì)殘留。

圖1 失效攪拌軸

圖2 軸上部分裂紋及內(nèi)壁滲出物

2 斷口分析

對斷裂軸進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋均垂直于軸線方向，平直無分叉，全部位于耙齒與軸的長方形焊縫的頂弧附近，見圖3。相鄰兩個疲勞裂紋的間距約為50mm，末端僅相距30mm左右，但仍連而不斷，且未見明顯塑性變形，說明軸所受應(yīng)力水平并不高。但隨著疲勞裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，二者將匯合并出現(xiàn)大臺階。結(jié)合內(nèi)壁介質(zhì)殘留，發(fā)現(xiàn)部分裂紋仍未擴(kuò)展至內(nèi)壁表面。

圖3 裂紋與耙齒焊縫的位置特征

打開部分裂紋進(jìn)行清洗并觀察，發(fā)現(xiàn)斷口上均有明顯的疲勞弧線。攪拌軸的主斷口如圖4所示，通過對疲勞弧線、斷裂放射線和疲勞臺階的觀察，確定裂紋源位于軸的外表面，且具有多源性，同時說明裂紋源處存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中。圖5中斷口上疲勞源區(qū)同樣存在多條疲勞臺階，圖6中斷口上也存在明顯臺階。結(jié)合圖3中疲勞源區(qū)軸表面觀察，發(fā)現(xiàn)疲勞源均位于軸外表面上的耙齒與軸的長方形焊縫的頂弧外側(cè)，具體見圖7。觀察以上3處斷口可知攪拌軸的失效中疲勞源的形成與耙齒焊縫處形成的應(yīng)力集中有關(guān)。

圖4 攪拌軸主斷口

圖5 斷口

圖6 斷口

圖7 疲勞源與耙齒焊縫的位置關(guān)系

疲勞源位于軸外表面，向軸內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，疲勞源區(qū)可見多處疲勞臺階?？梢姅U(kuò)展區(qū)至少占軸截面的一半。圖4左下角的火焰切割痕跡是設(shè)備出現(xiàn)失效后，為方便從筒體內(nèi)取出造成的破壞。

疲勞源分布在焊趾上（紅色方框內(nèi)為源區(qū)），疲勞從焊趾開始擴(kuò)展，在擴(kuò)展過程中交匯形成疲勞臺階，如圖5中橙色箭頭所指。

圖6中紅色方框內(nèi)的凸起為耙齒焊縫的一部分，疲勞弧線以該焊縫為中心向軸內(nèi)層擴(kuò)展。轉(zhuǎn)換觀察角度，可以看到疲勞源位于耙齒直角焊縫的頂端，如圖7。

3 成分及力學(xué)性能分析

在失效軸件上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果見表1。其結(jié)果符合S32168成分要求（參考GB/T20878-2007），與客戶技術(shù)資料聲明的S30400有出入。

表1 軸件化學(xué)成分（wt.%）

取樣做拉伸試驗、硬度檢測，檢測結(jié)果見表2,其結(jié)果符合S32168力學(xué)性能要求（參考NB/T47010-2007）。

表2 軸件力學(xué)性能

4 金相分析

在斷口附近取橫向和縱向金相試樣各一，用于觀察軸的顯微組織，在耙齒與軸的焊縫上取金相試樣一個，用于觀察焊縫顯微組織，及焊接熱量對軸母材的影響。

通過金相組織觀察可以發(fā)現(xiàn)，該不銹鋼件的顯微組織為孿晶奧氏體，晶粒粗大，晶粒尺寸在140～200um之間，參照GB/T6394-2017，對應(yīng)的晶粒度在2.7～1.7之間，見圖8、9。這種粗大組織對材料的力學(xué)性能有不利影響。從焊縫及熱影響區(qū)金相組織來看，熱影響區(qū)晶粒未見明顯增大，見圖10。焊接并未對熱影響區(qū)母材組織造成可見的有害影響。

圖8 橫向試樣 400

圖9 縱向試樣400

圖10 焊縫及熱影響區(qū)200

5 硬度檢查

靠近焊縫(下圖紅色方框位置)取樣做硬度檢測，檢測結(jié)果見表3。遠(yuǎn)離焊縫的母材取樣做對比檢測，其硬度從內(nèi)表面到外表面，均勻測4個點，硬度比較均勻硬度在116～122HBW之間。表中數(shù)據(jù)反映，熱影響區(qū)硬度低于焊縫，但是高于母材。焊接對母材硬度造成了一定影響。

表3 軸件母材及焊縫硬度檢測結(jié)果（HV2）

6 結(jié)語

（1）該軸斷裂為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂，疲勞源位于焊縫熱影響區(qū)附近的軸表面上。

（2）攪拌軸材質(zhì)本身晶粒粗大，影響軸的使用壽命。

（3）耙齒與軸的焊縫造成應(yīng)力集中，軸的設(shè)計校核計算宜分析是否充分考慮相應(yīng)的安全系數(shù)校核計算問題。