球墨鑄鐵QT500-7空壓機軸異常斷裂失效研究

蔣金廣

(山東博物館,山東 濟南 250014)

球墨鑄鐵QT500-7空壓機軸異常斷裂失效研究

蔣金廣

(山東博物館,山東 濟南 250014)

通過掃描電鏡對球墨鑄鐵QT500-7空壓機軸的斷口形貌、石墨形態和顯微組織等進行觀察,發現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生應力集中也會在服役過程中誘發多源啟裂,導致其發生脆性斷裂失效.研究認為,應采取加強爐前檢測與金相理化分析、合理設計軸件結構、避免在軸上高載荷區切制螺紋等預防改進措施,保證球墨鑄鐵軸的質量.

球墨鑄鐵;疲勞斷裂;應力集中;球化不良

空壓機作為一種能夠高效壓縮氣體的設備,在工業生產中得到了廣泛應用.軸類零件作為空壓機設備中必不可少的關鍵部件,其工作狀況復雜,受到剪力、扭矩等因素的綜合影響,失效事故時有發生,往往造成嚴重事故和經濟損失.質量缺陷、疲勞斷裂、磨損腐蝕和塑性變形等是其較常見的失效形式,導致空壓機軸斷裂失效的原因復雜多樣,查文獻可知,國內外研究人員鮮有對空壓機軸斷裂失效的原因進行研究,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.因此,采用掃描電鏡等儀器從宏觀和微觀角度分析空壓機軸的斷裂失效原因成為研究人員當下亟需解決的問題.

某工廠空壓機軸材質為球墨鑄鐵QT500-7,在服役數百小時后突然發生傳動軸斷裂事故,軸斷裂成3部分.為查明其斷裂性質和原因,本文通過對斷裂軸進行斷口形貌檢查、石墨形態分析及顯微組織檢測等手段進行失效分析,尋找失效原因,并提出預防改進措施.

1 儀器與材料

試驗用儀器為韓國賽可SNE-3000MB掃描電子顯微鏡.

試驗用空壓機軸材質為球墨鑄鐵QT500-7,其化學成分如表1所示.

表1 QT500-7的化學成分

2 方法與結果

2.1 斷口分析

斷裂軸的實物照片如圖1所示,軸一側開有鍵槽,軸內部空心,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、c3部分斷面,而斷面c又斷裂為c1和c2兩部分.通過圖1可以看出,斷面c裂紋啟裂于內螺紋根部,在扭轉載荷作用下,斷口的開裂方向與軸向大致成45°角并擴展,裂紋擴展區無剪切唇,表明其不能承受載荷時突然發生斷裂.從圖1c斷面的c1、c2兩部分斷面可以看出,裂紋起源于軸鍵槽接刀痕處,裂紋擴展區亦無剪切唇,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、具有拉壓應力導致的表面磨損,表明斷裂時承受載荷較高,初步判定為扭轉疲勞脆性斷裂.

圖1 軸斷口宏觀形貌

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5min,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,局部區域有石墨聚集現象(圖2a),且石墨形狀不規則,大量顯微裂紋沿晶界擴展,進一步判定為沿晶脆性斷裂.

2.2 顯微組織

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為開花狀、團絮狀、厚片狀,另有少數球狀.根據GB/T 9441-2009 球墨鑄鐵金相檢驗可判定球化率小于50%,球化級別6級.表明該球墨鑄鐵件球化不良,并且有明顯的石墨漂浮現象.石墨聚集分布,密集成串,易脫落,嚴重割裂金屬基體組織,導致力學性能較差.

圖2 軸斷口微觀形貌

圖3 斷裂軸的石墨形態

將上述斷軸碎塊的拋光試樣用體積分數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成,按照GB/T 9441-2009,測定珠光體含量小于25%.圖4b中珠光體的層片結構清晰可見,晶粒粗大,晶界未發現網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,而且表明碳的擴散距離較短,導致石墨周圍出現大塊的純鐵素體組織,這種缺陷使球墨鑄鐵力學性能惡化,強度急劇下降.

圖4 斷裂軸的顯微組織

2.3 扭轉圓軸應力分析

當圓軸受到扭矩載荷T作用時,截面邊緣處的剪應力τ最大.

對空心軸,抗扭截面系數tW可表示為

其中,R為軸的外半徑,r為內半徑,a=r/R.從圖5a可計算得到空心軸截面剪應力τ.

圓軸受扭時內部各點處于平面應力狀態.此時,主平面的主應力σ可通過剪應力來表示.

圖5 扭轉圓軸的應力狀態

圓軸純扭矩運動時彈性應力分布表面最大,正常情況下裂紋應從表面萌生,向內部擴展至斷裂.而實際應用中軸往往加工出鍵槽等結構,加工過程中會產生各種缺口,如鍵槽和螺紋的加工相當于產生了尖形缺口,缺口尖端附近的應力場強度因子達到很高水平,造成局部應力集中而改變軸的應力分布,導致最大應力點不再發生在軸的外緣,而可能位于加工所造成的尖角或刀痕處.

通過斷軸宏觀斷口、微觀斷口及顯微組織檢測發現,該軸破斷點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,這是因為鍵槽、螺紋的加工破壞了基體組織連續性,尖角或刀痕處局部因缺口效應形成應力集中,軸在運轉過程中于應力集中處萌生裂紋,應力集中越嚴重,裂紋產生越早.同時斷裂軸因存在材質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,破壞了基體的連續性,強度和塑韌性弱化,直接降低了斷裂軸的力學性能,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展,這是造成該軸脆性斷裂的主要原因.

3 結語

本文對球墨鑄鐵空壓機軸異常斷裂進行了失效分析.理化分析結果表明,軸的失效性質為脆性過載斷裂,斷裂面上的異形石墨聚集,破壞了基體的連續性,降低了軸的力學性能.顯微組織晶粒粗大,降低了材料的強度和塑韌性,增大了脆性.在加工過程中于鍵槽刀痕處和螺紋根部產生應力集中,導致斷口出現大量的應力裂紋.

要防止出現軸的脆性斷裂,首先,要保證球墨鑄鐵件的質量,避免出現球化不良、石墨漂浮等組織缺陷,除對球化和孕育處理嚴格控制外,一方面要對鑄造澆注溫度、冷卻溫度和停留時間等環節嚴格控制;另一方面在生產時需注意澆冒口、澆注位置的改進,防止鐵液氧化,以獲得球化良好、均勻的石墨和優良的基體組織;最后,要加強爐前檢測與金相理化分析,以保證球墨鑄鐵軸的質量.

在鍵與軸的配合件中,交變扭轉多經過鍵來傳遞,鍵槽等軸上的縱向溝槽易引起應力集中.為減少應力集中,應合理計算鍵槽根部的過渡圓角值,加工時避免刀痕過深,在軸上切制螺紋應盡量避免在高載荷區加工,對于加工產生的毛刺應予以清除,以減少裂紋啟裂機率,并抑制裂紋快速擴展.

[1]李源昊.空壓機曲軸加工工藝改進探究[J].南方農機,2017(2):35.

[2]張瑜,徐勇,吳軍.45鋼軸的疲勞斷裂分析[J].失效分析與預防,2017(2):46-47.

[3]張斌,胡小華,向業.轉軸裂紋失效分析[J].金屬制品,2017(1):25-27.

[4]顏婧,馮繼軍,張鑫明.某空壓機曲軸斷裂失效分析[J].理化檢驗(物理分冊),2016(12):884-887.

[5]孫浩.空壓機曲軸斷裂失效分析[J].理化檢驗(物理分冊),2015(6):449-451.

[6]鄒國慶.車用空壓機軸瓦的設計和失效分析[J].內燃機與配給,2013(6):32-36.

TG255

A

1671-0711(2017)11(上)-0075-03