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(fā)生斷裂，而該軸正常服役周期15 年。據(jù)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(chǎn)商加工。基于委托方對于軸服役狀態(tài)下的受力情況計算，生產(chǎn)商為了降低成本，提出使用45#鋼為原料按照相應(yīng)技術(shù)圖紙加工后，無后續(xù)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(shè)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(jù)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(zhì)-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(chǎn)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(guān)規(guī)定，使用直讀光譜法檢測了樣品的化學成分，確認其材質(zhì)符合45#鋼的相關(guān)要求。結(jié)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(chǎn)品使用方并未就該軸類產(chǎn)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(guān)規(guī)定通過室溫拉伸試驗對比樣品是否符合國標規(guī)定。結(jié)果表明：該失效軸屈服強度低于國標規(guī)定約10.70%～13.80%；其他各參數(shù)和國標規(guī)定均相符。屈服強度低可能導(dǎo)致材料抗疲勞性能下降。硬度方面，該產(chǎn)品硬度符合GB/T 699-2015 的相關(guān)要求。

表2 失效軸樣品力學性能檢測結(jié)果（對比GB/T 699-2015）

3 斷口檢測結(jié)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(zhuǎn)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(yīng)力集中引發(fā)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(xù)運行一段時間后設(shè)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(xiàn)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(tài)為熱軋正火態(tài)，而正火態(tài)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(jié)構(gòu)設(shè)計方面分析

根據(jù)委托方提供的技術(shù)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(zhì)量約為355 kg（3509.6N），葉片半徑為250 mm。供貨方根據(jù)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(yīng)力為104 MPa，所以45#鋼超過300 MPa 的屈服強度應(yīng)該能夠滿足這樣的服役條件。生產(chǎn)商也是參考了使用方的計算結(jié)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(yīng)為約9.43×10-6m3。由此計算出該軸受到的最大剪應(yīng)力應(yīng)為372.17 MPa；對比上文中的力學性能檢測結(jié)果可知，此應(yīng)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(jié)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(yīng)力集中，缺口敏感性會導(dǎo)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(dǎo)致了雙方對選材的性能要求較低。同時，軸類產(chǎn)品的設(shè)計需要盡可能減少出現(xiàn)應(yīng)力集中，本失效軸的臺階式收縮是一個設(shè)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(yīng)出現(xiàn)明顯的90°角收縮。

5 失效分析結(jié)論及建議

該失效軸化學成分符合GB/T 699-2015 規(guī)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(chǎn)品的屈服強度明顯低于GB/T 699-2015 的相關(guān)規(guī)定，其他參數(shù)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(xiàn)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(tài)為熱軋正火態(tài)。而正火態(tài)鋼材的強度、硬度和抗疲勞性能等方面均較低，服役時在產(chǎn)品臺階處易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致失效。

通過對失效軸的受力情況分析，我們發(fā)現(xiàn)委托方在計算軸受力時出現(xiàn)了偏差，導(dǎo)致誤判了該軸在服役時受到了最大剪應(yīng)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(shù)也沒有具體規(guī)定。另外，在軸的圖紙設(shè)計方面，出現(xiàn)了明顯的收縮臺階，容易導(dǎo)致應(yīng)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(chǎn)品加工成型后進行至少一次的調(diào)質(zhì)熱處理以保證其強度和硬度。使用方也應(yīng)該對產(chǎn)品硬度、強度、斷后伸長率等參數(shù)提出相應(yīng)要求以保證其符合服役條件。此外在產(chǎn)品的尺寸設(shè)計方面，建議綜合考慮應(yīng)力集中和材料疲勞等因素，避免臺階結(jié)構(gòu)和應(yīng)力集中。

6 改良后產(chǎn)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(shè)計圖紙并以42CrMo 為原料加工生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)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(guān)檢測。

6.1 力學性能對比

此次，供購雙方規(guī)定產(chǎn)品力學性能參考ISO 683-2:2016（E）中對42CrMo4（40～100 mm 直徑棒材，調(diào)質(zhì)態(tài)）的相關(guān)規(guī)定。拉伸試驗結(jié)果見表3。

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

室溫拉伸試驗的結(jié)果顯示：新軸的規(guī)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(guī)定的上限約5.26%。樣品塑性（斷后伸長率和斷面收縮率）均優(yōu)于標準規(guī)定。新軸的強度參數(shù)明顯優(yōu)于失效軸的相關(guān)參數(shù)。

此外，實驗室還根據(jù)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(guī)定42CrMo 調(diào)質(zhì)后洛氏硬度應(yīng)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(yīng)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(xiàn)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(diào)質(zhì)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(chǎn)品尺寸較大，出現(xiàn)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(xiàn)[5]。

7 結(jié)論

改良后的42CrMo 軸在力學性能和金相組織方面明顯優(yōu)于以45#鋼為原料的失效軸。同時生產(chǎn)方也改進了產(chǎn)品尺寸設(shè)計，去掉了臺階結(jié)構(gòu)，能夠保證產(chǎn)品無明顯的應(yīng)力集中。

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