吳 躍

(1.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院，安徽 合肥 230088；2.大唐鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，安徽 合肥 230088)

42CrMo鋼被廣泛用于制造高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件[1- 2]。某300 MW亞臨界發(fā)電機(jī)組引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子42CrMo鋼芯軸在運(yùn)行約5 000 h后其軸肩倒圓處突然斷裂，見圖1。如圖2所示，芯軸斷裂部位直徑為35 mm，軸肩倒圓半徑為1 mm，芯軸最大直徑為50 mm。芯軸的技術(shù)要求：按GB/T 3077—1999鑄造，鍛件去應(yīng)力退火；調(diào)質(zhì)處理后抗拉強(qiáng)度900～1 100 MPa，屈服強(qiáng)度≥600 MPa，斷后伸長率≥12%，沖擊吸收能量(KU2)≥35 J，硬度241～286 HB；化學(xué)成分符合JB/T 6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》要求。

圖2 芯軸的設(shè)計(jì)圖

圖1 斷裂的芯軸

為了確定芯軸斷裂的原因，對(duì)斷裂芯軸進(jìn)行了宏觀分析、化學(xué)成分檢測(cè)、硬度檢驗(yàn)、金相分析、室溫力學(xué)性能測(cè)試和斷口分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀分析

芯軸斷口的宏觀形貌以及軸肩倒圓部位的局部放大見圖3。由圖3可知，芯軸斷口未發(fā)生明顯的塑性變形，為脆性斷口，有清晰的沙灘狀疲勞輝紋(裂紋的擴(kuò)展痕跡，為第二階段擴(kuò)展區(qū))，疲勞輝紋有一定角度扭轉(zhuǎn)，說明芯軸承受扭轉(zhuǎn)載荷；疲勞區(qū)約占斷口面積的95%，瞬斷區(qū)約占5%，表明芯軸承受的循環(huán)載荷不大[3- 4]；瞬斷區(qū)斷口較新鮮，附近擴(kuò)展區(qū)有二次裂紋?？拷S肩倒圓部位的斷面有多個(gè)臺(tái)階，臺(tái)階之間的小凹坑為疲勞源。臺(tái)階由多個(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展連接而成(第一階段擴(kuò)展區(qū)，位于疲勞源區(qū))，說明在軸肩倒圓部位有多個(gè)疲勞源，而臺(tái)階數(shù)量較多也表明芯軸斷口部位應(yīng)力集中系數(shù)較大[5]。斷口疲勞斷裂的宏觀特征明顯，根據(jù)芯軸的受力狀況(引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)芯軸與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，芯軸承受反復(fù)交變的扭轉(zhuǎn)和彎曲等應(yīng)力)以及宏觀斷口形貌可判定，芯軸的斷裂屬于扭轉(zhuǎn)多源疲勞斷裂[6]。

圖3 斷口的宏觀形貌

2.2 非金屬夾雜物分析

按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》檢測(cè)了斷裂芯軸的非金屬夾雜物等級(jí)，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，芯軸起裂區(qū)非金屬夾雜物主要為D類和DS類夾雜物，大顆粒球狀DS類夾雜物為DS2級(jí)，如圖4所示。參照YB/T 5137—2007《高壓用熱軋和鍛件制無縫鋼管圓管坯》對(duì)非金屬夾雜物的要求，芯軸DS類夾雜物級(jí)別達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的上限。

圖4 芯軸裂紋起始部位的夾雜物

表1 芯軸非金屬夾雜物分析結(jié)果

2.3 金相檢驗(yàn)

從芯軸斷口切取縱截面試樣(包含芯軸表面、疲勞源區(qū)、第二階段擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū))，經(jīng)磨、拋后采用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相顯微鏡檢驗(yàn)芯軸的顯微組織，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，芯軸表面組織為回火索氏體和極少量鐵素體，疲勞源區(qū)(軸肩倒圓部位)組織為回火索氏體和少量鐵素體， 第二階段擴(kuò)展區(qū)組織為回火索氏體和較多鐵素體，瞬斷區(qū)為回火索氏體和大量鐵素體，可見從芯軸表面到心部鐵素體逐漸增多。芯軸心部與表面組織的不一致，表明其熱處理工藝不當(dāng)，即未淬透[7- 8]。

圖5 芯軸斷口縱截面試樣(a)和表面(b)、疲勞源區(qū)(c)、第二階段擴(kuò)展區(qū)(d)及瞬斷區(qū)(e)的顯微組織

2.4 化學(xué)成分檢驗(yàn)

采用PDA- 5000型島津光電直讀光譜儀檢測(cè)了斷裂芯軸的化學(xué)成分，結(jié)果見表2。表2顯示，芯軸含鉻量略低于JB/T 6396—2006的要求，其他成分符合要求。

表2 斷裂芯軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.5 硬度檢驗(yàn)

測(cè)定了芯軸表面、疲勞源區(qū)、第二階段擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的顯微硬度和布氏硬度，結(jié)果分別列于表3和表4。由表3可知，芯軸表面與疲勞源、第二階段擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的硬度差異較大，從表面到心部硬度遞減。由表4可知，芯軸表面、疲勞源區(qū)、第二階段擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的硬度均符合設(shè)計(jì)要求，但疲勞源區(qū)、第二階段擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)硬度低于JB/T 6396—2006要求，表面硬度接近JB/T 6396—2016的下限值。

表4 斷裂芯軸不同部位的硬度

表3 斷裂芯軸不同部位的硬度

2.6 室溫力學(xué)性能試驗(yàn)

測(cè)定了斷裂芯軸近表面、1/2半徑處和心部的力學(xué)性能，結(jié)果見表5和表6。由表5可知，芯軸近表面的抗拉強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)的下限值，屈服強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，但低于標(biāo)準(zhǔn)要求；芯軸1/2半徑處和心部的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求，斷后伸長率符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由表6可知，芯軸的沖擊吸收能量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 斷裂芯軸不同部位的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表5 斷裂芯軸不同部位的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.7 斷口分析

采用Carl Zeiss Sigma300型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察的芯軸斷口形貌見圖6。由圖6可知，疲勞源區(qū)有放射狀條紋和疲勞臺(tái)階(多條裂紋擴(kuò)展連接而成，第一階段擴(kuò)展區(qū))，臺(tái)階附近有褶皺和摩擦痕跡(受到反復(fù)的扭轉(zhuǎn)彎曲交變應(yīng)力導(dǎo)致的滑移痕跡)，進(jìn)一步證明此處就是疲勞源[3- 5]；第二階段擴(kuò)展區(qū)有疲勞輝紋和二次裂紋；瞬斷區(qū)有大量韌窩，為最后撕裂部位。這些結(jié)果表明，斷口具有典型的疲勞斷裂特征。

圖6 芯軸斷口疲勞源區(qū)(a)、部位A疲勞源區(qū)(b)、第二階段擴(kuò)展區(qū)(c)、二次裂紋第二階段擴(kuò)展區(qū)(d)和瞬斷區(qū)(e)的掃描電鏡形貌

3 分析與討論

宏觀檢查和斷口分析表明:芯軸是扭轉(zhuǎn)多源疲勞斷裂，其軸肩倒圓部位應(yīng)力集中系數(shù)較大，為裂紋源。

設(shè)計(jì)要求的芯軸的屈服強(qiáng)度和硬度低于國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另外，芯軸斷裂部位直徑35 mm，最大直徑為50 mm，截面突變明顯，變徑區(qū)的應(yīng)力最大(危險(xiǎn)區(qū)域)。而變徑區(qū)的軸肩倒圓半徑僅1 mm，遠(yuǎn)小于要求的5 mm[9]，過渡圓角太小增加了變徑區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)，易成為裂紋源，宏觀檢驗(yàn)結(jié)果證明了這一點(diǎn)，也從側(cè)面反應(yīng)了芯軸的結(jié)構(gòu)不合理。

芯軸從表面到心部鐵素體量遞增，表明芯軸調(diào)質(zhì)質(zhì)量不佳，這可能是淬火溫度較低或保溫時(shí)間不足所致。表層雖為回火索氏體，但可能是由于淬火冷卻速度不夠快，仍有少量鐵素體析出[7- 8,10- 11]。調(diào)質(zhì)組織不佳，導(dǎo)致芯軸的硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求或?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的下限值，以及心部與表面的硬度差異較大，既增大組織應(yīng)力，也降低芯軸的耐疲勞性能[12]。此外，鐵素體與回火索氏體交界處裂紋容易形成和擴(kuò)展，從而引發(fā)疲勞斷裂[13]。

4 結(jié)論

芯軸設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度和硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，且調(diào)質(zhì)組織不佳使其硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求或?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的下限值，降低了芯軸的耐疲勞性能。軸肩倒圓半徑過小，增加了變徑區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)，導(dǎo)致芯軸在扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變應(yīng)力的作用下軸肩倒圓處裂紋萌生、擴(kuò)展和疲勞斷裂。