球墨铸铁QT500-7空压机轴异常断裂失效研究.pdfVIP

球墨铸铁QT500-7空压机轴异常断裂失效研究

蒋金广

【摘要】通过扫描电镜对球墨铸铁QT500-7空压机轴的断口形貌、石墨形态和显

微组织等进行观察,发现轴的断裂模式为疲劳断裂,球化不良、石墨漂浮和晶粒粗大

等缺陷是造成异常断裂的主要原因.另外,在轴键槽的接刀痕处和轴螺纹根部产生应

力集中也会在服役过程中诱发多源启裂,导致其发生脆性断裂失效.研究认为,应采取

加强炉前检测与金相理化分析、合理设计轴件结构、避免在轴上高载荷区切制螺纹

等预防改进措施,保证球墨铸铁轴的质量.

【期刊名称】《中国设备工程》

【年(卷),期】2017(000)021

【总页数】3页(P75-77)

【关键词】球墨铸铁;疲劳断裂;应力集中;球化不良

【作者】蒋金广

【作者单位】山东博物馆,山东济南250014

【正文语种】中文

【中图分类】TG255

空压机作为一种能够高效压缩气体的设备,在工业生产中得到了广泛应用.轴类零件

作为空压机设备中必不可少的关键部件,其工作状况复杂,受到剪力、扭矩等因素的

综合影响,失效事故时有发生,往往造成严重事故和经济损失.质量缺陷、疲劳断裂、

磨损腐蚀和塑性变形等是其较常见的失效形式,导致空压机轴断裂失效的原因复杂

多样,查文献可知,国内外研究人员鲜有对空压机轴断裂失效的原因进行研究,仅仅采

用频繁更换断裂轴的方法无法从根本上解决此问题.因此,采用扫描电镜等仪器从宏

观和微观角度分析空压机轴的断裂失效原因成为研究人员当下亟需解决的问题.

某工厂空压机轴材质为球墨铸铁QT500-7,在服役数百小时后突然发生传动轴断裂

事故,轴断裂成3部分.为查明其断裂性质和原因,本文通过对断裂轴进行断口形貌检

查、石墨形态分析及显微组织检测等手段进行失效分析,寻找失效原因,并提出预防

改进措施.

试验用仪器为韩国赛可SNE-3000MB扫描电子显微镜.

试验用空压机轴材质为球墨铸铁QT500-7,其化学成分如表1所示.

断裂轴的实物照片如图1所示,轴一侧开有键槽,轴内部空心,一端攻有螺纹,通过键

等连接来传递载荷.轴在中间两处断裂为a、b、c3部分断面,而断面c又断裂为c1

和c2两部分.通过图1可以看出,断面c裂纹启裂于内螺纹根部,在扭转载荷作用下,

断口的开裂方向与轴向大致成45°角并扩展,裂纹扩展区无剪切唇,表明其不能承受

载荷时突然发生断裂.从图1c断面的c1、c2两部分断面可以看出,裂纹起源于轴键

槽接刀痕处,裂纹扩展区亦无剪切唇,断口走向很正,破断面呈螺旋状.观察宏观断口特

征,两断口均呈黑色,无金属光泽,断口有石墨脱落痕迹,均无明显塑性变形,断面存在

较光亮磨损痕迹、具有拉压应力导致的表面磨损,表明断裂时承受载荷较高,初步判

定为扭转疲劳脆性断裂.

取图1断轴c的c1、c2两部分碎块,用酒精浸泡后,再用超声振荡清洗5min,取出

吹干,分别在扫描电镜下观察.轴断口的微观形貌如图2所示,可见断口晶粒粗大,晶

粒表面平整,石墨断裂脱落后留下的孔洞深且明显,局部区域有石墨聚集现象(图2a),

且石墨形状不规则,大量显微裂纹沿晶界扩展,进一步判定为沿晶脆性断裂.

取图1中间断轴b碎块,手工切平,磨制抛光后在扫描电镜下观察.如图3所示,该轴

所用球墨铸铁的石墨形态为开花状、团絮状、厚片状,另有少数球状.根据GB/T

9441-2009球墨铸铁金相检验可判定球化率小于50%,球化级别6级.表明该球墨

铸铁件球化不良,并且有明显的石墨漂浮现象.石墨聚集分布,密集成串,易脱落,严重

割裂金属基体组织,导致力学性能较差.

将上述断轴碎块的抛光试样用体积分数4%的硝酸酒精腐蚀后,在扫描电镜下观察断

轴的显微组织,如图4所示.图4a显示断轴的显微组织由大块铁素体和少量珠光体

构成,按照GB/T9441-2009,测定珠光体含量小于25%.图4b中珠光体的层片结构

清晰可见,晶粒粗大,晶界未发现网状磷共晶或其他晶界致脆物.铁素体晶粒晶界处,粗

大畸形的石墨密集分布,不仅造成组织松散,而且表明碳的扩散距离较短,导致石墨周

围出现大块的纯铁素体组织,这种缺陷使球墨铸铁力学性能恶化,强度急剧下降.

当圆轴受到扭矩载荷T作用时,截面边缘处的剪应力τ最大.

对空心轴,抗扭截面系数tW可表示为

其中,R为轴的外半径,r为内半径,a=r/R.从图5a可计算得到空心轴截面剪应力τ.

圆轴受扭时内部各点