酸排氣風機軸的失效分析和工藝改進研究

唐志君，劉克昌

（北京科大分析檢驗中心有限公司，北京 100096）

益科德公司的CUB 酸排氣風機軸在使用約兩周后發生斷裂，而該軸正常服役周期15 年。據使用方介紹，此次風機軸屬于新工藝的首次嘗試，由新的生產商加工。基于委托方對于軸服役狀態下的受力情況計算，生產商為了降低成本，提出使用45#鋼為原料按照相應技術圖紙加工后，無后續熱處理。委托方希望本中心通過檢測確認樣品斷裂原因并提出工藝改進建議。CUB 酸排氣風機軸來樣如圖1 所示，設計圖紙如圖1-3 所示，斷裂位于圖紙上箭頭所指處，該位置外圓有一段過盈裝配的軸套在圖中可見。

圖1 來樣圖

根據本次樣品的特點，本實驗室在了解了樣品服役情況后，提出了材質-力學性能-金相組織-斷口分析的檢測計劃，首先確認樣品是否符合委托方的性能要求，之后推測斷裂機理[1]。

1 斷軸失效分析

委托方和生產方稱該軸使用了45#鋼為原料，本實驗室即參考國標GB/T 699-2015 中的相關規定，使用直讀光譜法檢測了樣品的化學成分，確認其材質符合45#鋼的相關要求。結果見表1。

表1 失效軸化學成分（對比GB/T 699-2015）

2 力學性能對比

由于產品使用方并未就該軸類產品的力學性能向供貨方提出具體要求，如表2 所示，本實驗室參考GB/T 699-2015 中對45# 鋼力學性能的相關規定通過室溫拉伸試驗對比樣品是否符合國標規定。結果表明：該失效軸屈服強度低于國標規定約10.70%～13.80%；其他各參數和國標規定均相符。屈服強度低可能導致材料抗疲勞性能下降。硬度方面，該產品硬度符合GB/T 699-2015 的相關要求。

表2 失效軸樣品力學性能檢測結果（對比GB/T 699-2015）

3 斷口檢測結果

3.1 宏觀檢測

失效軸的兩邊斷口形貌如圖2 所示，斷口較平整為扭轉斷口。整體而言，該軸外表面較為光滑，除斷口處外無明顯缺陷。圖2（b）為圖2（a）圖箭頭所指部位（裂紋源處）的放大20 倍效果，有較為尖銳的凸起。考慮到該軸的服役工況，初步認為該軸屬于應力集中引發的疲勞斷裂[2]。

圖2 斷口形貌

3.2 微觀觀察

本實驗室將失效軸的斷口進行掃描電鏡觀察，但由于該軸斷裂后仍持續運行一段時間后設備才完全停止，斷口表面存在較嚴重的磨損，不合適用以判定斷口特征。

3.3 斷口處的金相檢驗

垂直于斷裂源處取樣進行顯微組織觀察：斷裂源處的金相組織為珠光體+鐵素體，表面無脫碳現象；斷裂源附近有一條二次裂紋。截面心部金相組織也為珠光體+鐵素體，如圖3 所示。整體而言，該失效軸的縱截面金相組織均勻，為珠光體+鐵素體，無明顯缺陷，有一定的帶狀組織。金相組織表明材料熱處理狀態為熱軋正火態，而正火態鋼材的強度、硬度和抗疲勞性能等方面均較低[3]。

圖3 斷裂源處金相組織，50X（上）；100x（下）

4 軸的結構設計方面分析

根據委托方提供的技術圖紙，我們了解到失效軸帶動的風機葉片和軸體自身的總質量約為355 kg（3509.6N），葉片半徑為250 mm。供貨方根據平均直徑約為70 mm 計算出該軸的極慣性矩為33.67 ×10-5m3，由此算出該軸受到的最大剪應力為104 MPa，所以45#鋼超過300 MPa 的屈服強度應該能夠滿足這樣的服役條件。生產商也是參考了使用方的計算結果后才選用45#鋼為原料，而非強度更高的合金鋼或軸承鋼。

但實際考慮葉片半徑帶來的扭矩，該軸的極慣性矩應為約9.43×10-6m3。由此計算出該軸受到的最大剪應力應為372.17 MPa；對比上文中的力學性能檢測結果可知，此應力已大于該軸的屈服強度[4]。另外，軸斷裂處的實際直徑約為56 mm，若以此計算該軸的極慣性矩結果肯定更大。且斷裂位置處于直徑明顯收縮的臺階處，該處的R角約為90°；顯然此處存在明顯的應力集中，缺口敏感性會導致其服役能力進一步下滑。

考慮到以上兩點，此前的力學計算存在偏差，導致了雙方對選材的性能要求較低。同時，軸類產品的設計需要盡可能減少出現應力集中，本失效軸的臺階式收縮是一個設計缺陷，斷裂位置也正在此處。建議盡量減少軸徑變化，若部分位置確需減小直徑，也須做過渡弧而不應出現明顯的90°角收縮。

5 失效分析結論及建議

該失效軸化學成分符合GB/T 699-2015 規定的45 鋼的元素含量，即符合供購雙方要求。力學性能方面：失效產品的屈服強度明顯低于GB/T 699-2015 的相關規定，其他參數均符合。宏觀斷口較為平整，軸斷裂源顯微觀察表面無脫碳現象，斷裂源處及心部金相組織均為珠光體+鐵素體。金相組織表明材料熱處理狀態為熱軋正火態。而正火態鋼材的強度、硬度和抗疲勞性能等方面均較低，服役時在產品臺階處易產生應力集中而導致失效。

通過對失效軸的受力情況分析，我們發現委托方在計算軸受力時出現了偏差，導致誤判了該軸在服役時受到了最大剪應力；因此雙方對該軸的強度要求較低，沒有選用軸承鋼或合金鋼，沒有要求進行熱處理，對軸承的力學性能參數也沒有具體規定。另外，在軸的圖紙設計方面，出現了明顯的收縮臺階，容易導致應力集中；而斷裂位置就在最小尺寸直徑的臺階處。

基于以上分析，本實驗室建議廠家選取GCr15 或42CrMo 等軸承鋼或合金鋼為原料，并且在產品加工成型后進行至少一次的調質熱處理以保證其強度和硬度。使用方也應該對產品硬度、強度、斷后伸長率等參數提出相應要求以保證其符合服役條件。此外在產品的尺寸設計方面，建議綜合考慮應力集中和材料疲勞等因素，避免臺階結構和應力集中。

6 改良后產品性能檢測

益科德公司接受了本實驗室提出的改良方案，改良了設計圖紙并以42CrMo 為原料加工生產了新批次的風機軸。新軸的直徑約為80 mm，無軸徑變化，無明顯臺階狀起伏。為確認新產品質量，該公司再次委托本實驗室對改良后的風機軸進行了相關檢測。

6.1 力學性能對比

此次，供購雙方規定產品力學性能參考ISO 683-2:2016（E）中對42CrMo4（40～100 mm 直徑棒材，調質態）的相關規定。拉伸試驗結果見表3。

表3 42CrMo 軸力學性能檢測結果（對比ISO 683-2：2016（E））

室溫拉伸試驗的結果顯示：新軸的規定塑性延伸強度滿足ISO 683-2：2016（E）的要求；抗拉強度超過ISO 683-2：2016（E）規定的上限約5.26%。樣品塑性（斷后伸長率和斷面收縮率）均優于標準規定。新軸的強度參數明顯優于失效軸的相關參數。

此外，實驗室還根據客戶要求，檢測了該軸樣品橫截面的洛氏硬度（HRC）。GB/T 3077-2015 規定42CrMo 調質后洛氏硬度應為HRC 28-32，此軸的心部硬度略低（26.8～ 29.4HRC），其他位置硬度基本滿足國標要求，考慮到軸徑較粗，心部存在硬度略低的情況也屬正常。對比失效軸，新軸硬度明顯更高。

6.2 金相組織分析

樣品縱向（垂直于圓面方向）有較明顯的帶狀組織，應是軋制原料特點，參照GB/T 13299-1991 評定標準帶狀組織為5 級，推測為軋制原料本身具有的特征，屬正常現象。樣品橫截面邊部金相組織為回火索氏體+少量條塊狀鐵素體，組織均勻，如圖4。

圖4 樣品縱截面的帶狀組織，100x；橫截面金相組織，500x

該金相組織符合42CrMo 鋼調質熱處理工藝特征，表面組織處理較好，但心部組織中存在少量的小塊狀鐵素體；考慮到該產品尺寸較大，出現淬透性不足的情況也屬于正常。一般來說，以回火索氏體為主的金相組織在綜合力學性能方面會有較好的表現[5]。

7 結論

改良后的42CrMo 軸在力學性能和金相組織方面明顯優于以45#鋼為原料的失效軸。同時生產方也改進了產品尺寸設計，去掉了臺階結構，能夠保證產品無明顯的應力集中。

經過本實驗室檢測后，益科德公司將改良后的42CrMo 軸生產工藝作為該公司風機軸生產的標準工藝，明確了產品在硬度、強度等方面需要達到相關國標要求。此后，該公司同類型的軸類產品再未出現類似的失效事故。