某泥浆泵35crmo钢被动轴断裂失效分析 >> 行业新闻-j9九游会登录入口

2020-06-22  浏览量:429

 

(文章来源:嘉峪检测网)

 

事故背景

 

某单位购置的泥浆泵已正常工作近50h,在一次常规作业过程中,其动力端被动轴突然发生断裂,断裂时泥浆泵的工作压力为15mpa,断裂前未发现异常现象。泥浆泵动力端被动轴材料为35crmo合金钢,由钢锭经锻造后进行调质热处理所制。

 

理化检验

 

1、宏观观察

宏观观察发现,该被动轴直径约为330mm,断口基本平齐且表面较粗糙,无明显塑性变形,断口放射状裂纹扩散花纹明显,由裂纹扩展方向可见断裂源位于轴心,断口裂纹由断裂源沿圆周方向呈放射状向被动轴近表面扩展,存在明显的剪切唇扩展台阶,具有瞬时脆性断裂特征,如图1所示。

 

断裂失效分析

 

2、化学成分分析

在断裂的被动轴上取样,采用df-200型电火花直读光谱仪进行化学成分分析。

 

断裂失效分析

 

由表1可见,被动轴的化学成分符合gb/t 3077-2015«合金结构钢»对35crmo合金钢的要求。

 

3、力学性能测试

按照jb/t 5000.8-2007«重型机械通用技术条件 第8部分:锻件»、gb/t 228.1-2010«金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法»和gb/t 229-2007«金属材料夏比摆锤冲击试验方法»,在被动轴断面距离表面1/3半径处取样,采用cmt5105型电子万能试验机和jb-300b型冲击试验机分别对试样进行室温拉伸试验和冲击试验,试验结果如表2所示。

 

断裂失效分析

 

对照gb/t 3077-2015«合金结构钢»标准中35crmo轴(直径大于150mm)淬火+高温回火力学性能指标,可见被动轴除了断后伸长率、断面收缩率符合gb/t 3077-2015对35crmo钢的要求之外,被动轴的抗拉强度、屈服强度和冲击吸收能量均低于该标准的要求。

 

4、扫描电镜分析

在被动轴心部裂纹源区(图1中c位置)取样,采用su-70型场发射扫描电镜(sem)进行形貌观察。

 

断裂失效分析

 

由图2可见,断口存在大量葡萄样枝晶组织,枝晶表面光滑且仍保持铸造凝固收缩的原始状态,高倍下可观察到枝晶间存在大量孔隙;断口有大量孔洞及疏松缺陷,孔洞内壁光滑,断口具有解理断裂的特征。

 

5、金相检验

分别在被动轴的表面、距表面30mm处和心部取样(图1的a,b,c位置处),试样经镶嵌、磨抛,采用体积分数为3%的硝酸酒精溶液浸蚀后,采用ma1001型金相显微镜观察试样的显微组织。

 

断裂失效分析

 

由图3可见,被动轴表面显微组织为回火索氏体+网状及块状铁素体。

 

断裂失效分析

 

由图4和图5可见,被动轴距表面30mm处及心部的显微组织均为珠光体+粗大的网状、针状及块状铁素体,并存在明显的枝晶状不均匀组织。

 

6、夹杂物与疏松缺陷分析

在被动轴心部(图1中c位置处)取样,采用su-70型场发射扫描电镜进行形貌观察,可见被动轴心部存在大量夹杂物和疏松组织,如图6所示。

 

断裂失效分析

 

采用扫描电镜附带的能谱仪(eds)对夹杂物进行能谱分析,分析位置和分析结果分别如图7和表3所示。

 

断裂失效分析

 

可见夹杂物中有铝、硫、镁、铁、锰、氧、碳、硅等元素,推测含有硫化锰、硫化铁、氧化铝、氧化镁、硅酸盐等。根据gb/t 10561-2005/iso 4967:1998(e)«钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法»,对图6a)中夹杂物进行评级,评级结果为d类3.0级,夹杂物级别较高。被动轴心部还存在长度为20μm以上的疏松缺陷,如图6b)所示。

 

分析与讨论

 

由宏观观察结果可知,裂纹源位于被动轴断口心部,裂纹呈放射状向四周扩展,断口平齐且无塑性变形,具有瞬时脆性断裂特征。

 

由扫描电镜分析结果可知,断口心部裂纹源区存在大量的葡萄样枝晶组织、孔隙和疏松缺陷,枝晶表面光滑,仍保持铸造凝固收缩的原始状态,枝晶组织和微孔疏松结构由铸造时中心部钢液最后凝固收缩形成。在后期的锻造过程中,由于锻压变形不充分,没有破碎充分消除该组织,大量保留了枝晶组织和孔隙结构,导致被动轴的组织致密性和均匀性不高,破坏和削弱了晶体间的联系,显著降低了被动轴的强度,同时枝晶组织和孔隙处产生应力集中,成为裂纹源。

 

由金相检验、夹杂物和疏松缺陷分析结果可知,被动轴心部显微组织不均匀,夹杂物级别较高,同时还存在疏松组织。夹杂物成分主要为硫化锰、硫化铁、氧化铝、氧化镁、硅酸盐等。

 

由力学性能测试结果可知,被动轴的抗拉强度、屈服强度和冲击吸收能量均低于标准值,这说明夹杂物和疏松组织割裂了基体,显著降低了材料的抗拉强度、屈服强度和塑韧性,并引起应力集中,成为裂纹源。

 

结论及建议

 

泥浆泵动力端被动轴心部存在大量的枝晶组织、夹杂物与孔隙疏松等缺陷及不均匀组织,不仅降低了被动轴的力学性能,还显著降低了该轴的有效承载面积。内部缺陷是被动轴在正常工作中发生过载脆性断裂的主要原因。

 

上述缺陷是在不合理冶金和锻造等制造工艺中产生的,建议严格控制被动轴的制造过程,从源头提高冶金质量,降低夹杂物含量与尺寸;设置合理的铸造工艺,减少铸件内部疏松缺陷与枝晶组织;在被动轴锻造成型工艺中充分消除铸件残留的枝晶组织;严格执行被动轴热处理流程,避免出现网状铁素体等缺陷组织。

 

建议通过适当延长材料固溶时效保温时间来减轻或消除条状组织,以提高棒材横向冲击吸收能量的检验合格率。

 

作者:高学平,高级工程师,山东大学

 

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