失效分析現場直擊——船用艉軸斷裂失效分析
2019-07-21 船用艉軸為軸系的最后端，其尾部與螺旋槳連接，用于傳遞扭矩和承受推力。某漁輪在海上行駛5a(年)左右，艉軸突然斷裂，其材料為35鋼，直徑為290mm，長度為4420mm，質量為2491kg，鍛造成型后經正火+回火處理。為查明該船用艉軸斷裂原因，對其進行了檢驗和分析。
理化檢驗
宏觀分析
圖1 斷裂艉軸宏觀形貌
艉軸剛斷裂時的形貌如圖1所示，可見艉軸外部包有合金鋼軸套，經檢查合金鋼軸套外表面基本無銹蝕，其與艉軸外緣接觸處腐蝕嚴重。
艉軸斷裂面中部(圖1中B處)表面凹凸不平，有金屬光澤，未見被氧化的跡象；其余斷裂面(圖1中A處)的表面較平整光滑，沒有金屬光澤，存在被氧化的跡象。
圖2 艉軸斷口宏觀形貌
為方便取出艉軸，在其斷口上焊接一吊耳，如圖2所示。斷口宏觀形貌顯示：該艉軸斷口部分區(qū)域有較光滑平坦的裂紋擴展區(qū)，可以觀察到貝紋線(圖2中a區(qū)域)；斷口大部分區(qū)域為較粗糙的瞬斷區(qū)。根據斷口宏觀形貌特征可以確定，該艉軸斷裂性質為疲勞斷裂；根據疲勞裂紋擴展規(guī)律可以確定，疲勞裂紋源位于圖2中的a區(qū)域。
化學成分分析
表1 艉軸的化學成分(質量分數)
使用德國Bruker公司Q8 MAGELLAN直讀光譜分析儀對斷裂艉軸進行化學成分分析，結果見表1。
結果表明，該艉軸材料的化學成分滿足中國船級社«材料與焊接規(guī)范»(2006)和GB/T699-2015«優(yōu)質碳素結構鋼»技術要求。經計算，該艉軸材料的碳當量為0.52％。
力學性能試驗
表2 艉軸的力學性能
在斷裂艉軸1/4處取縱向拉伸試樣和沖擊試樣，分別進行室溫拉伸和夏比沖擊試驗，結果見表2。
可見斷裂艉軸的各項力學性能也符合中國船級社«材料與焊接規(guī)范»(2006)和GB/T699-2015的技術要求。
金相檢驗
圖3 裂紋顯微形貌
在艉軸斷口邊緣處(a區(qū)域)取樣，磨制金相試樣后采用蔡司Imager.M2M金相顯微鏡進行金相分析。
圖4 裂紋內氧化物形貌
觀察發(fā)現有大量裂紋，裂紋均從艉軸外緣向軸心擴展，且前端較尖銳，尾部較鈍，裂紋尺寸約2.5mm，裂紋內部有淺灰色的氧化物，見圖3~4。
圖5 裂紋處顯微組織形貌
圖6 基體顯微組織形貌
艉軸顯微組織為鐵素體+珠光體，裂紋兩側未見明顯脫碳，見圖5~6。
斷口形貌及微區(qū)成分分析
圖7 艉軸斷口SEM形貌
圖8 裂紋內腐蝕產物SEM形貌
圖9 斷口表面腐蝕產物EDS譜
采用蔡司Sigma場發(fā)射掃描電鏡(SEM)對艉軸斷口形貌進行觀察，發(fā)現該艉軸腐蝕層表面有大量微觀裂紋，見圖7。采用牛津INCA250能譜儀(EDS)對斷口表面腐蝕產物(圖7)及裂紋內腐蝕產物(圖8)進行能譜分析，結果見圖9。
可見腐蝕產物中除鐵主峰線外，還可見氧、氯等峰線，表明腐蝕產物主要為含氯、氧的化合物。
綜合分析
由化學成分分析、力學性能試驗結果可以看出，該斷裂艉軸的化學成分、力學性能均符合中國船級社«材料與焊接規(guī)范»(2006)和GB/T699-2015技術要求，可排除材料因素引起艉軸斷裂的可能。
由金相檢驗結果可以看出：艉軸顯微組織為鐵素體+珠光體，組織正常，未見異常正火態(tài)組織，可排除熱處理因素引起艉軸斷裂的可能。艉軸邊緣處有大量裂紋，且裂紋兩側無明顯脫碳，說明裂紋是在使用過程中逐漸產生并擴展的。
根據斷口宏觀形貌分析結果可以確定，該尾軸斷裂性質為疲勞斷裂；根據邊緣裂紋形貌分析和腐蝕產物成分分析結果可確定，艉軸發(fā)生了電偶腐蝕；由此可推斷艉軸斷裂為電偶腐蝕疲勞所致。由于軸套材料為合金鋼，艉軸材料為碳鋼，兩者具有不同的電位，當兩者組合浸入海水(海水為電解質)時，會產生電池效應，發(fā)生電偶腐蝕，在兩金屬接觸邊緣區(qū)域，電位較低的35碳鋼快速腐蝕，而電位較高的合金鋼軸套則減緩腐蝕。電偶腐蝕一旦產生，各區(qū)域在一定的條件下會發(fā)生不同模式的腐蝕，有金屬全面腐蝕，有點腐蝕(深入后成為微裂紋)。
艉軸在服役狀態(tài)下，所承受的交變應力會加速微裂紋的擴展，當艉軸剩余截面所承受的應力大于材料本身的強度時，便會發(fā)生斷裂失效。
結語及建議
該船用艉軸斷裂為電偶腐蝕疲勞所致。采用大陽極、小陰極，或者對于不同電位的金屬連接件進行一定的防護處理，可減少此類事件的發(fā)生。
選自：《理化檢驗—物理分冊》Vol.542018.10
作者：侯帥帥，工程師，青島市產品質量監(jiān)督檢驗研究院
