分享：船用艉軸斷裂失效分析
摘 要:通過宏觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗、金相檢驗、斷口掃描電鏡及能譜分析等方 法分析了某船用艉軸斷裂失效的原因.結(jié)果表明:該船用艉軸的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合相關(guān)標(biāo) 準(zhǔn)和規(guī)范的要求,顯微組織為正常的鐵素體＋珠光體,斷口形貌具有疲勞斷裂特征,電偶腐蝕疲勞 是造成該船用艉軸斷裂的主要原因.
關(guān)鍵詞:船用艉軸;斷裂;疲勞;電偶腐蝕;失效分析
中圖分類號:U６６４．２１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７６９Ｇ０３
船用艉軸為軸系的最后端,其尾部與螺旋槳連 接,用于傳遞扭矩和承受推力.某漁輪在海上行駛 ５a(年)左右,艉軸突然斷裂,其材料為３５鋼,直徑 為２９０mm,長度為４４２０mm,質(zhì)量為２４９１kg,鍛 造成型后經(jīng)正火＋回火處理.為查明該船用艉軸斷 裂原因,筆者對其進(jìn)行了檢驗和分析.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀分析
艉軸剛斷裂時的形貌如圖１所示,可見艉軸外 部包有合金鋼軸套,經(jīng)檢查合金鋼軸套外表面基本 無銹蝕,其與艉軸外緣接觸處腐蝕嚴(yán)重.艉軸斷裂面中部(圖１中 B 處)表面凹凸不平,有金屬光澤, 未見被氧化的跡象;其余斷裂面(圖１中 A 處)的表 面較平整光滑,沒有金屬光澤,存在被氧化的跡象. 為方便取出艉軸,在其斷口上焊接一吊耳,如圖２所 示.斷口宏觀形貌顯示:該艉軸斷口部分區(qū)域有較 光滑平坦的裂紋擴(kuò)展區(qū),可以觀察到貝紋線(圖２中 a區(qū)域);斷口大部分區(qū)域為較粗糙的瞬斷區(qū).根據(jù) 斷口宏觀形貌特征可以確定,該艉軸斷裂性質(zhì)為疲 勞斷裂[１Ｇ２];根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律[３]可以確定,疲 勞裂紋源位于圖２中的a區(qū)域.
１．２ 化學(xué)成分分析
’德國 Bruker公司 Q８ MAGELLAN 直讀 光譜分析儀對斷裂艉軸進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見 表１.結(jié)果表明,該艉軸材料的化學(xué)成分滿足中國 船級社 «材料與焊接規(guī)范»(２００６)和 GB/T６９９－ ２０１５«優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼»技術(shù)要求.經(jīng)計算,該艉軸 材料的碳當(dāng)量為０．５２％.
１．３ 力學(xué)性能試驗
在斷裂艉軸１/４處取縱向拉伸試樣和沖擊試 樣,分別 進(jìn) 行 室 溫 拉 伸 和 夏 比 沖 擊 試 驗,結(jié) 果 見 表２.可見斷裂艉軸的各項力學(xué)性能也符合中國船 級社«材料與焊接規(guī)范»(２００６)和 GB/T６９９－２０１５ 的技術(shù)要求.
１．４ 金相檢驗
在艉軸斷口邊緣處(a區(qū)域)取樣,磨制金相試 樣后采用蔡司Imager．M２M 金相顯微鏡進(jìn)行金相 分析[４].觀察發(fā)現(xiàn)有大量裂紋,裂紋均從艉軸外緣 向軸心擴(kuò)展,且前端較尖銳,尾部較鈍,最大裂紋尺 寸約２．５mm,裂 紋 內(nèi) 部 有 淺 灰 色 的 氧 化 物,見 圖３~４.艉軸顯微組織為鐵素體＋珠光體[５],裂紋 兩側(cè)未見明顯脫碳,見圖５~６.
１．５ 斷口形貌及微區(qū)成分分析
采用蔡司 Sigma場發(fā)射掃描電鏡(SEM)對艉 軸斷口形貌進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)該艉軸腐蝕層表面有大 量微觀裂 紋,見 圖 ７.采 用 牛 津INCA２５０ 能 譜 儀 (EDS)對斷口表面腐蝕產(chǎn)物(圖７)及裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn) 物(圖８)進(jìn)行能譜分析[６],結(jié)果見圖９.可見腐蝕產(chǎn) 物中除鐵主峰線外,還可見氧、氯等峰線,表明腐蝕產(chǎn)物主要為含氯、氧的化合物.
２ 綜合分析
由化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗結(jié)果可以看出, 該斷裂艉軸的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合中國船級社«材料與焊接規(guī)范»(２００６)和 GB/T６９９－２０１５技 術(shù)要求,可排除材料因素引起艉軸斷裂的可能.
由金相檢驗結(jié)果可以看出:艉軸顯微組織為鐵 素體＋珠光體,組織正常,未見異常正火態(tài)組織,可 排除熱處理因素引起艉軸斷裂的可能.艉軸邊緣處 有大量裂紋,且裂紋兩側(cè)無明顯脫碳,說明裂紋是在 使用過程中逐漸產(chǎn)生并擴(kuò)展的.
根據(jù)斷口宏觀形貌分析結(jié)果可以確定,該尾軸斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂;根據(jù)邊緣裂紋形貌分析和腐 蝕產(chǎn)物成分分析結(jié)果可確定,艉軸發(fā)生了電偶腐蝕; 由此可推斷艉軸斷裂為電偶腐蝕疲勞所致.由于軸 套材料為合金鋼,艉軸材料為碳鋼,兩者具有不同的 電位,當(dāng)兩者組合浸入海水(海水為電解質(zhì))時,會產(chǎn) 生電池效應(yīng),發(fā)生電偶腐蝕[７],在兩金屬接觸邊緣區(qū) 域,電位較低的３５碳鋼快速腐蝕,而電位較高的合 金鋼軸套則減緩腐蝕.電偶腐蝕一旦產(chǎn)生,各區(qū)域 在一定的條件下會發(fā)生不同模式的腐蝕,有金屬全 面腐蝕,有點腐蝕(深入后成為微裂紋).
艉軸在服役狀態(tài)下,所承受的交變應(yīng)力會加速 微裂紋的擴(kuò)展,當(dāng)艉軸剩余截面所承受的應(yīng)力大于 材料本身的強度時,便會發(fā)生斷裂失效.
３ 結(jié)語及建議
該船用艉軸斷裂為電偶腐蝕疲勞所致.采用大 陽極、小陰極,或者對于不同電位的金屬連接件進(jìn)行 一定的防護(hù)處理,可減少此類事件的發(fā)生.
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文章來源——材料與測試網(wǎng)
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