馬氏體沉淀硬化鋼轉動軸斷裂分析

　　某電廠轉動軸在整套設備的較短運行時間內，軸承振動突然增大，解體檢查發現轉動軸鍵槽處斷裂、近斷口端軸承損壞。為查明轉動軸斷裂原因，防止同類事故發生，并制定切實可行的改進措施，對斷裂轉動軸進行系統的試驗分析。此轉動軸系馬氏體沉淀硬化鋼，經冶煉、熱加工、沉淀硬化后制成。工作介質約為300℃的熱水，轉動軸在運行過程中承受交變的彎曲和旋轉載荷作用。
　　
　　轉動軸材料為17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb），直徑90mm，為典型的馬氏體沉淀硬化鋼，固溶處理后的室溫組織為馬氏體。鍵的規格為10mm×16mm×150mm，材料為中碳結構45鋼。采用放大鏡對斷口進行宏觀檢查，金相顯微鏡對轉動軸和鍵進行組織分析，借助LEO-438-VP型掃描電子顯微鏡對斷口裂源區、擴展區進行分析觀察。轉動軸及鍵材料的化學成分見下表：　　
        分析研究表明，由于材料的選擇強度不匹配，鍵的硬度和強度遠遠低于轉動軸。這樣大的偏差很容易造成鍵損傷面而影響軸的運行情況，需要用等級較高的材料或熱強鋼制造鍵體。綜合分析認為：轉動軸鍵槽受到長時間擠壓沖擊，嚴重變形，說明鍵在工作過程中有輕微滑動和受到周向沖擊，有偏載。斷裂轉動軸鍵槽底部鈍邊的多條裂紋呈周向剝落狀開裂，該鈍邊正是轉動軸旋轉時通過鍵連接葉輪的受力邊，是傳遞扭轉的受力端。裂紋呈多源疲勞特征，說明使裂紋疲勞擴展的應力較大，沿周向擴展，但停留于表面附近。
　　
　　鱗狀剝落是一種特殊現象，對使用彈性聯軸器的軸系，在鍵傳遞扭矩過程中，當葉輪與軸之間是松配合時就會產生鱗剝。過松配合時，幾乎所有的扭矩要靠鍵傳遞，使軸鍵槽處的周向應力顯著增大，鍵槽底部邊緣則是應力集中部位，附加的彎曲應力和沖擊在鍵槽底部邊緣形成多個疲勞源，并在反復沖擊載荷作用下疲勞失效。此外，不穩定的運行工況也是導致斷裂的一個因素。