侯帥帥１ ２,曾現(xiàn)琛１,付春霞１ ２,胡家琨１,張國(guó)華１ ２

(１．青島市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,青島 ２６６１０１;

２．青島市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)研究所,青島 ２６６１０１)

摘 要:通過宏觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、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(hào):U６６４．２１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):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(zhǎng)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(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀分析

艉軸剛斷裂時(shí)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?yàn)檩^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

使用德國(guó) Bruker公司 Q８ MAGELLAN 直讀光譜分析儀對(duì)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(guó)船級(jí)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(jì)算,該艉軸材料的碳當(dāng)量為０．５２％.

１．３ 力學(xué)性能試驗(yàn)

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(yàn),結(jié) 果 見表２.可見斷裂艉軸的各項(xiàng)力學(xué)性能也符合中國(guó)船級(jí)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(yàn)

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(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)對(duì)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(duì)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(yàn)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(guó)船級(jí)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(yàn)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(shí),會(huì)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(huì)發(fā)生不同模式的腐蝕,有金屬全面腐蝕,有點(diǎn)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(huì)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(qiáng)度時(shí),便會(huì)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(yáng)極、小陰極,或者對(duì)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.

（文章來源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>2018年>10期> pp.769）