侯帥帥１ ２,曾現琛１,付春霞１ ２,胡家琨１,張國華１ ２
(１．青島市產品質量監督檢驗研究院,青島 ２６６１０１;
２．青島市產品質量檢驗技術研究所,青島 ２６６１０１)
摘 要:通過宏觀分析、化學成分分析、力學性能試驗、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.結果表明:該船用艉軸的化學成分、力學性能均符合相關標準和規范的要求,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 文獻標志碼: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,質量為２４９１kg,鍛造成型后經正火＋回火處理.為查明該船用艉軸斷裂原因,筆者對其進行了檢驗和分析。
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:該艉軸斷口部分區域有較光滑平坦的裂紋擴展區,可以觀察到貝紋線(圖２中a區域);斷口大部分區域為較粗糙的瞬斷區.根據
斷口宏觀形貌特征可以確定,該艉軸斷裂性質為疲勞斷裂[１Ｇ２];根據疲勞裂紋擴展規律[３]可以確定,疲勞裂紋源位于圖２中的a區域.
１．２ 化學成分分析
使用德國 Bruker公司 Q８ MAGELLAN 直讀光譜分析儀對斷裂艉軸進行化學成分分析,結果見表１.結果表明,該艉軸材料的化學成分滿足中國船級社 «材料與焊接規范»(２００６)和 GB/T６９９－２０１５«優質碳素結構鋼»技術要求.經計算,該艉軸材料的碳當量為０．５２％.
１．３ 力學性能試驗
在斷裂艉軸１/４處取縱向拉伸試樣和沖擊試樣,分別 進 行 室 溫 拉 伸 和 夏 比 沖 擊 試 驗,結 果 見表２.可見斷裂艉軸的各項力學性能也符合中國船級社«材料與焊接規范»(２００６)和 GB/T６９９－２０１５的技術要求.
１．４ 金相檢驗
在艉軸斷口邊緣處(a區域)取樣,磨制金相試樣后采用蔡司Imager．M２M 金相顯微鏡進行金相分析[４].觀察發現有大量裂紋,裂紋均從艉軸外緣向軸心擴展,且前端較尖銳,尾部較鈍,最大裂紋尺寸約２．５mm,裂 紋 內 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],裂紋兩側未見明顯脫碳,見圖５~６.
１．５ 斷口形貌及微區成分分析
采用蔡司 Sigma場發射掃描電鏡(SEM)對艉軸斷口形貌進行觀察,發現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)對斷口表面腐蝕產物(圖７)及裂紋內腐蝕產物(圖８)進行能譜分析[６],結果見圖９.可見腐蝕產物中除鐵主峰線外,還可見氧、氯等峰線,表明腐蝕產物主要為含氯、氧的化合物.
２ 綜合分析
由化學成分分析、力學性能試驗結果可以看出,該斷裂艉軸的化學成分、力學性能均符合中國船級社«材料與焊接規范»(２００６)和 GB/T６９９－２０１５技術要求,可排除材料因素引起艉軸斷裂的可能.由金相檢驗結果可以看出: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,且裂紋兩側無明顯脫碳,說明裂紋是在使用過程中逐漸產生并擴展的.
根據斷口宏觀形貌分析結果可以確定,該尾軸斷裂性質為疲勞斷裂;根據邊緣裂紋形貌分析和腐蝕產物成分分析結果可確定,艉軸發生了電偶腐蝕;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,當兩者組合浸入海水(海水為電解質)時,會產生電池效應,發生電偶腐蝕[７],在兩金屬接觸邊緣區域,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.電偶腐蝕一旦產生,各區域在一定的條件下會發生不同模式的腐蝕,有金屬全面腐蝕,有點腐蝕(深入后成為微裂紋).
艉軸在服役狀態下,所承受的交變應力會加速微裂紋的擴展,當艉軸剩余截面所承受的應力大于材料本身的強度時,便會發生斷裂失效.
３ 結語及建議
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行一定的防護處理,可減少此類事件的發生.