柴油裝船泵軸斷裂失效分析

朱泗穎(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516082)

1 概況

儲運部柴油裝船泵2009年投入使用，2020年1月發現軸發生斷裂，使用時間約11年。軸的材質為3Cr13鋼。斷裂部位接觸介質為L-TSA 46昆侖牌汽輪機油，軸的功率為75.5KW，轉速為2950r/min。

2 檢測分析

2.1 斷軸宏觀、低倍形貌分析

觀察發現，軸的表面光亮，腐蝕跡象輕微，軸在位于中間位置發生斷裂，如圖1所示。

圖1 斷裂軸宏觀形貌

如圖2所示，斷口表面宏觀形貌表明，軸的斷口比較光滑，幾乎沒有塑性變形痕跡，斷口表面上覆蓋少量黑色氧化產物。部分斷口表面已發生嚴重磨損，可能是在軸發生斷裂后未能及時取下，兩個斷口表面互相摩擦造成的。斷口上肉眼可見清晰的疲勞弧線和二次裂紋特征，這些均是疲勞斷裂的典型特征，而且可以看出可能存在多個疲勞裂紋源。

圖2 斷口表面宏觀形貌

2.2 斷口形貌分析

采用機械切割取樣，在體式顯微鏡下觀察斷口(圖2的左圖)形貌。從斷口上可以觀察到裂紋源有6個之多，均起源于軸的表面，如圖3所示。其中，肉眼清晰可見的2、5、6裂紋源，在體式顯微鏡下明顯可以看出以每個以疲勞源為圓心向外發散擴展而形成的弧形區。

圖3 多源疲勞形貌

圖4表示典型疲勞源的放大形貌，可以看出，裂紋起源于斷口外表面邊緣(疲勞源1、2、3、4)或亞表面(疲勞源5、6)，疲勞源3、4、5區交織在一起，互相重疊。裂紋起源區為一弧形或圓形區，擴展區形貌可見清晰的弧線。而裂紋擴展區又可以分為慢速擴展區和快速擴展區，緊挨裂紋起源區的慢速擴展區，疲勞形成弧線非常規則，間距和半徑都較小，而與之相比，距離裂紋起源區較遠的快速擴展區，疲勞形成的弧線相對不規則，間距和半徑都有明顯變大，直至弧線逐漸消失。

取軸的斷口試樣，在掃描電鏡下觀察斷口形貌。由圖7可見，斷口表面平整，裂紋起源于試樣表面。通過背散射形貌可清晰看出軸表面有鍍層存在。能譜分析表明，表面鍍層為鉻層。

表1 能譜檢測元素含量表

2.3 金相分析

取泵軸的橫截面樣品做金相分析，可以看出，泵軸基體材料的組織為回火索氏體，金相組織均勻細小。

圖4 典型疲勞源的形貌

圖5 斷口表面形貌及基體成分和鍍鉻層能譜分析

圖6 泵軸基體組織

在軸表面的鉻鍍層中可以觀察到存在很多開裂現象，這些表面的裂紋在疲勞斷裂過程中可以被作為疲勞裂紋源。

圖7 表面鍍鉻層形貌

3 分析與討論

3Cr13是馬氏體類型不銹鋼，該鋼機械加工性能好，經熱處理(淬火回火)后，具有優良的耐腐蝕性能、較高的強度和耐磨性，適宜制造承受高負荷、高耐磨及在腐蝕介質作用下的模具。

3Cr13軸是柴油裝船泵的重要部件，因此，在泵工作過程中，承受著交變的振動載荷作用。而這種交變的振動載荷有可能使軸發生疲勞。在制備加工過程中，為了提高軸的表面強度、硬度以及耐磨、耐腐蝕性能，在軸的工作表面鍍一層鉻。而鉻雖然堅硬、耐磨，但鍍鉻層具有比較脆的缺點，而且和許多金屬的結合性能也不好，鍍層也很容易剝落。所以表面鍍鉻層也會對軸的疲勞性能產生重要影響。

疲勞斷裂是軸類零部件的常見失效模式之一，一般發生疲勞斷裂的部位都是因為受到較大的交變工作載荷。疲勞失效的發生一般經歷4個過程：(1)疲勞源的產生；(2)疲勞裂紋緩慢擴展；(3)疲勞裂紋快速擴展：最終瞬間快速斷裂。這4個過程可以從疲勞斷面很明顯的看出，見圖4、5。軸類疲勞斷裂和一般的零部件疲勞一樣，存在4個必要條件：(1)交變工作載荷；(2)高于疲勞極限的應力；(3)疲勞源；(4)材料的敏感性。而影響材料疲勞性能的因素很多，包括鋼的化學成分、冶金質量、表面處理狀態等。

有研究表明，零部件的脆性隨鍍鉻層的厚度增加而增加，因此，鍍鉻層的厚度越大，對零部件的威脅越大。圖3和圖4都表明，斷口表面上觀察到6個疲勞源，這些疲勞裂紋源均位于軸的外表面邊緣(鍍鉻層)或亞表面(鍍鉻層與基體界面)。這是由于在鍍鉻過程中，陰極產生的氫不僅會滲入鍍鉻層的晶格之間，而且部分氫會滲入金屬基體中，造成零部件氫脆。鍍層越厚，氫滲入基體越深，零部件的疲勞強度會因此大幅降低，疲勞斷裂的危險也隨之增大。因此，鍍鉻過程使得原本平滑的金屬表面變成多缺陷的鉻晶體表面(如圖6)，在交變載荷作用下，基體表面的缺陷在力的作用下產生微裂紋并向基體方向擴展成為疲勞斷裂的裂紋源，從而使疲勞強度降低；此外，多缺陷的鍍鉻層也改變了疲勞斷裂方式，使得疲勞斷口由單源區(或少源區)變成了多個源區，疲勞裂紋由多個源向基體內部擴展，縮短了部件斷裂的時間，等于加速了零部件的疲勞開裂。

4 結語

從上述分析結果可知，泵軸基體材料的組織為回火索氏體，金相組織均勻細小。泵軸表面的鉻鍍層中存在較多毛裂紋缺陷，這些表面的裂紋在載荷的作用下中形成疲勞裂紋源，導致泵軸發生多源疲勞斷裂。