钢渣浆泵主轴早期疲劳断裂分析

http://www.microimage.com.cn(2011-06-21 18:51:43)

2210082.山西平遥减速器厂 山西平遥031100)

要:一台渣浆泵45钢主轴安装运行不足24h即发生断裂。本文分析了主轴断裂的过程和原因。结果表明,轴的断裂为多源旋转弯曲疲劳断裂,疲劳裂纹从轴表面加工形成的类裂纹处扩展,而热处理组织粗大和存在魏氏组织加速了开裂。

关键词:疲劳断裂;表面缺陷;组织

1前言

某发电厂用的渣浆泵主轴安装后运行不足24h45钢,转速为900r/min60,固液比为0.4110m2级串联工作。从泵运行时的电流记录和现场操作人员的记录看,泵安装后运行时未出现异常现象。

渣浆泵主轴结构为阶梯轴,轴的输出端加工成T100mm。断裂发生在轴与叶轮配合的接触处,即T型螺纹第一级螺旋根部。从轴的结构与受力状态可知,断裂部位为轴的次最大受力面,且有较大的应力集中。

2断口分析

2.1宏观分析

1所示。主断口断面平齐,与断轴的轴线基本垂直。断口的大部分为裂纹扩展区,最后瞬断区很小,约占断口面的8%。多个裂纹从轴的表面起裂,显示明显的多裂纹源特征。A处为裂纹起始区,箭头所指为快速扩展区,中间一条为最后瞬断区。在轴的两侧形成的裂纹最后汇合时形成撕裂台阶(C),台阶高度为梯形螺纹的一个螺距。裂纹开始扩展时与轴向大约成45°,扩展到一定长度后转向与轴向垂直方向继续扩展,在断面上可观察到裂纹扩展形成的微小台阶(2),这些台阶几乎与最后断裂区垂直而不是指向轴心。裂纹扩展到一定长度后发生瞬间断裂,贯穿整个轴的直径,宽度只有57mm,断面粗糙、平齐,与轴线垂直。

12

从断口形态和裂纹走向可以确定断裂为多向弯曲疲劳断裂。由于在T型螺纹根部的轴表面存在严重的加工刀痕和加工造成的表面龟裂,断裂即由这些类裂纹起始,实际上无需疲劳裂纹萌生期[1],裂纹在弯曲交变载荷作用下直接由加工裂纹根部向纵深扩展,因而严重缩短轴的疲劳寿命。

2.2微观分析

用扫描电子显微镜对断口的裂纹起始区、扩展区和瞬断区进行微观分析,断口用超声波丙酮浴清洗。

3为裂纹起始区的微观形貌,裂纹从螺纹根部的加工裂纹和表面剥离处向内扩展,形成的放射线细小;图4显示裂纹扩展和形成的台阶与表面加工裂纹之间的关系,可清楚地看出,裂纹从表面加工裂纹和螺纹根部的交界处起裂、扩展,形成台阶,在每两个台阶之间对应一条较大的加工裂纹;裂纹扩展过程为典型的解理断裂,可清楚地看到珠光体片的解理形貌,在裂纹起始区的台阶和裂纹快速扩展区有大量的二次沿晶裂纹(5),这些裂纹的形成与粗大的晶粒和网状铁素体有关。微观分析可进一步看出加工表面类裂纹与疲劳裂纹扩展的关系以及显微组织对裂纹形成与扩展的作用。

34

56200

3钢的化学成分与组织分析

w(%)0.44C0.71Mn0.30Si0.021S0.019PGB699-1988的要求。

64级,组织中有少量魏氏组织。渣浆泵主轴的热处理工艺为正火+45810级。由此可知,该断轴热处理时的加热温度可能偏高,导致奥氏体晶粒粗大,正火后形成粗大的珠光体和铁素体组织且有少量的魏氏组织。

类似的组织也导致表面加工质量的降低。粗大的珠光体团和网状铁素体之间的变形的不协调性使得加工时易形成表面裂纹。

4讨论

分析确定,轴的断裂属疲劳断裂。导致轴早期断裂的根本原因主要是:①轴的加工表面存在的加工裂纹为疲劳断裂提供了现成的疲劳源,疲劳裂纹即从这些裂纹与螺纹根部的交界处扩展,不需要疲劳裂纹的萌生阶段,轴一开始便进入疲劳裂纹扩展的第Ⅱ阶段;②粗大不均的珠光体组织和严重的网状铁素体组织提高了裂纹的扩展速率da/dN,导致疲劳裂纹快速扩展,加速了断裂的过程;③泵的实际运行状况偏离其设计点,增加了叶片的转动阻力,使轴上的交变弯曲应力水平提高,为裂纹的扩展提供了力学条件。

大量的试验表明,承受交变载荷的零件的表面加工质量对零件的疲劳寿命有很大影响[2],本分析中,在断轴的表面可见明显的加工刀痕而且在危险部位存在明显的表面类裂纹,这就进一步降低了轴的疲劳寿命。

钢的组织的晶粒大小和组织中的缺陷对疲劳强度有较大的影响,这一影响要比对静载强度的影响大得多,金属的疲劳极限随晶粒的增大和缺陷的增多而降低[3]。本次断轴的金相组织为粗大的珠光体和网状铁素体,与细小的珠光体和非网状铁素体相比,严重降低轴的疲劳寿命:①疲劳裂纹扩展速率与晶粒尺寸呈线性关系(da/dNDD2晶粒尺寸);②在疲劳裂纹扩展前沿,网状铁素体极易形成微裂纹,加速疲劳裂纹扩展;③在疲劳裂纹扩展前沿形成应力集中,使实际应力水平提高,促进裂纹扩展。

更多相关搜索: