304不銹鋼軸斷裂失效分析

胡 佳

（寧波鎮海煉化利安德化學有限公司，浙江寧波 315200）

1 屏蔽泵斷軸

某企業中屏蔽泵P 輸送50%堿液，為裝置關鍵泵。其流量為5.3 m3/h，揚程150 m，操作壓力2.5 MPa，轉軸材料為304 不銹鋼。

該屏蔽泵在正常運行過程中，在毫無征兆的情況下軸向竄動突然報警。觀察趨勢圖，可以明顯地看出軸竄量有一個突變（圖1）。

解體檢查，該軸斷口起裂處（裂紋源）位于軸徑Φ28 mm 與Φ33 mm 過渡機加工臺階處，裂紋源處于肉眼可見的明顯車銷加工刀痕，形成應力集中區域；斷口存在疲勞擴展臺階，表面多處有摩擦擠壓痕跡，斷口平齊呈銀灰色，具有脆性疲勞開裂特征。

起裂處位于軸徑過渡機加工臺階應力集中處，失效驅動軸宏觀形貌如圖2 所示。

2 304 不銹鋼斷裂機理分析研究

2.1 成分檢測

對該軸的基體304 不銹鋼材料進行化學元素成分檢測，相關結果見表1。

圖1 軸向竄動突然報警

經檢測材質合格，符合相關標準對304 不銹鋼的要求。

圖2 斷裂軸和裂紋位置的宏觀形貌

表1 304 不銹鋼化學元素分析 %

基體的非金屬夾雜物評級結果為，無脆性夾雜物、塑性夾雜物，點狀不變性夾雜物的夾雜物級別為0.5 級（圖3）。依據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，軸基體的非金屬夾雜物評級符合要求。

圖3 非金屬夾雜物檢測結果

2.2 金相組織分析

母材金相組織為單相奧氏體，金相組織合格（圖4）。

圖4 母材金相組織為單相奧氏體

2.3 力學性能測試

將軸基本取樣加工成的拉伸試棒，在力學拉伸試驗機上進行檢測（表2），測試結果符合304 鋼標準要求，力學性能合格。

2.4 斷口掃描電鏡分析

疲勞源區呈疲勞擠壓痕跡，存在明顯的機加工臺階痕跡（圖5）。

由掃描電鏡分析可知：斷口呈快速疲勞脆性開裂，存在著疲勞源區、疲勞擴展區和瞬斷區。斷口疲勞源（起裂處）呈快速拉斷開裂擠壓特征，疲勞擴展區掃描電鏡形貌存在疲勞擠壓輝紋。疲勞源位于軸徑變化臺階機加工應力集中處，機加工痕跡所形成的應力集中，是造成其早期開裂形成疲勞源的主要原因。

表2 力學性能測試結果

圖5 斷口起裂處掃描電鏡低倍形貌

3 結論

（1）根據上述分析可知，斷裂軸的化學成分為304 不銹鋼，材質合格。基本非金屬雜物、母材金相組織、力學性能等均符合不銹鋼要求。

（2）軸斷裂形式為疲勞開裂，疲勞源位于軸徑變化臺階機加工應力集中處，機加工痕跡所形成的應力集中是造成其早期開裂形成疲勞源的主要原因。

（3）建議機泵生產廠家改善機加工工藝：在軸徑變化臺階處進行機加工時，盡量消除機加工痕跡，提高表面光潔度；可以采用圓角過渡，防止造成應力集中。