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技术中心

失效分析现场直击——船用艉轴断裂失效分析
  船用艉轴为轴系的最后端,其尾部与螺旋桨连接,用于传递扭矩和承受推力。某渔轮在海上行驶5a(年)左右,艉轴突然断裂,其材料为35钢,直径为290mm,长度为4420mm,质量为2491kg,锻造成型后经正火+回火处理。为查明该船用艉轴断裂原因,对其进行了检验和分析。
理化检验
  宏观分析
图1 断裂艉轴宏观形貌
  艉轴刚断裂时的形貌如图1所示,可见艉轴外部包有合金钢轴套,经检查合金钢轴套外表面基本无锈蚀,其与艉轴外缘接触处腐蚀严重。
  艉轴断裂面中部(图1中B处)表面凹凸不平,有金属光泽,未见被氧化的迹象;其余断裂面(图1中A处)的表面较平整光滑,没有金属光泽,存在被氧化的迹象。
图2 艉轴断口宏观形貌
  为方便取出艉轴,在其断口上焊接一吊耳,如图2所示。断口宏观形貌显示:该艉轴断口部分区域有较光滑平坦的裂纹扩展区,可以观察到贝纹线(图2中a区域);断口大部分区域为较粗糙的瞬断区。根据断口宏观形貌特征可以确定,该艉轴断裂性质为疲劳断裂;根据疲劳裂纹扩展规律可以确定,疲劳裂纹源位于图2中的a区域。
  化学成分分析
表1 艉轴的化学成分(质量分数)
  使用德国Bruker公司Q8 MAGELLAN直读光谱分析仪对断裂艉轴进行化学成分分析,结果见表1。
  结果表明,该艉轴材料的化学成分满足中国船级社«材料与焊接规范»(2006)和GB/T699-2015«优质碳素结构钢»技术要求。经计算,该艉轴材料的碳当量为0.52%。
力学性能试验
表2 艉轴的力学性能
  在断裂艉轴1/4处取纵向拉伸试样和冲击试样,分别进行室温拉伸和夏比冲击试验,结果见表2。
  可见断裂艉轴的各项力学性能也符合中国船级社«材料与焊接规范»(2006)和GB/T699-2015的技术要求。
  金相检验
图3 裂纹显微形貌
  在艉轴断口边缘处(a区域)取样,磨制金相试样后采用蔡司Imager.M2M金相显微镜进行金相分析。
图4 裂纹内氧化物形貌
  观察发现有大量裂纹,裂纹均从艉轴外缘向轴心扩展,且前端较尖锐,尾部较钝,最大裂纹尺寸约2.5mm,裂纹内部有浅灰色的氧化物,见图3~4。
图5 裂纹处显微组织形貌
图6 基体显微组织形貌
  艉轴显微组织为铁素体+珠光体,裂纹两侧未见明显脱碳,见图5~6。
  断口形貌及微区成分分析
图7 艉轴断口SEM形貌
图8 裂纹内腐蚀产物SEM形貌
图9 断口表面腐蚀产物EDS谱
  采用蔡司Sigma场发射扫描电镜(SEM)对艉轴断口形貌进行观察,发现该艉轴腐蚀层表面有大量微观裂纹,见图7。采用牛津INCA250能谱仪(EDS)对断口表面腐蚀产物(图7)及裂纹内腐蚀产物(图8)进行能谱分析,结果见图9。
  可见腐蚀产物中除铁主峰线外,还可见氧、氯等峰线,表明腐蚀产物主要为含氯、氧的化合物。
  综合分析
  由化学成分分析、力学性能试验结果可以看出,该断裂艉轴的化学成分、力学性能均符合中国船级社«材料与焊接规范»(2006)和GB/T699-2015技术要求,可排除材料因素引起艉轴断裂的可能。
  由金相检验结果可以看出:艉轴显微组织为铁素体+珠光体,组织正常,未见异常正火态组织,可排除热处理因素引起艉轴断裂的可能。艉轴边缘处有大量裂纹,且裂纹两侧无明显脱碳,说明裂纹是在使用过程中逐渐产生并扩展的。
  根据断口宏观形貌分析结果可以确定,该尾轴断裂性质为疲劳断裂;根据边缘裂纹形貌分析和腐蚀产物成分分析结果可确定,艉轴发生了电偶腐蚀;由此可推断艉轴断裂为电偶腐蚀疲劳所致。由于轴套材料为合金钢,艉轴材料为碳钢,两者具有不同的电位,当两者组合浸入海水(海水为电解质)时,会产生电池效应,发生电偶腐蚀,在两金属接触边缘区域,电位较低的35碳钢快速腐蚀,而电位较高的合金钢轴套则减缓腐蚀。电偶腐蚀一旦产生,各区域在一定的条件下会发生不同模式的腐蚀,有金属全面腐蚀,有点腐蚀(深入后成为微裂纹)。
  艉轴在服役状态下,所承受的交变应力会加速微裂纹的扩展,当艉轴剩余截面所承受的应力大于材料本身的强度时,便会发生断裂失效。
  结语及建议
  该船用艉轴断裂为电偶腐蚀疲劳所致。采用大阳极、小阴极,或者对于不同电位的金属连接件进行一定的防护处理,可减少此类事件的发生。
选自:《理化检验—物理分册》Vol.542018.10
作者:侯帅帅,工程师,青岛市产品质量监督检验研究院
发布时间:2019-07-21


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