大型电机轴锻件断裂失效分析_赖春雷

(1)
式中 :S —残余应力 , kg f /mm2 ;E —弹性模 数 ;α—热膨
胀系数 ;a—导热系数 ;H —冷却速度 , ℃ /h;D —毛坯直
径 , 100mm, 根据文献 [ 2] , 从 600℃冷却时 , E α/a 的
值为 3.35, Cайкс指出 , 按上述方法计算出的残余应力 约大于试验中实际应力的 1倍 [ 2] , 则
(650 ～ 550℃)以远大于一般空冷速度冷却 , 形成了较
大的热应力型残余应力 。 根据试验 , 要得到这样的组
织 , 在 650 ～ 550℃范围内应以 20℃ /m in 左右的速度 冷却 , 根据 Cайкс对残余应力的计算公式 [ 2] :
S =1.55 ×8 ×10- 5 ×E α/a ×H D 2
大型电机轴锻件断裂失效分析
赖春雷 , 宋 梅 (上海电气集团上海电机厂有限公司 技术部 , 上海 200240)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
摘要 :运用金相观察 、SEM 等方法对断裂的 45钢电机轴锻件进行了失效分析 。结果表明 , 由于不正确的热加工 , 锻件存在很大的残余应力和大型锻造裂纹 , 随后的车削加工改变了应力分布 , 导致裂纹尖端应力超过临界应力 值 , 从而发生低应力脆断 。 关键词 :断裂 ;残余应力 ;裂纹 中图分类号 :TG157;TG162. 71 文献标识码 :B 文章编号 :0254-6051(2006)02-0098-04
cutting can change the distribution of the residual stress nea r the crack. Low stre ss brittle fracture occursw hen the stress
in the tip o f crack is ove r the critica l va lue. K ey w ord s:frac ture;residua l stress;c rack
试样编号
JB /T 1271(切向 ) 01#(轴向 ) 02#(轴向 )
进厂复验 (1#切向 ) 进厂复验 (2#切向 )
R p0. 2 /
MPa ≥275
390 355 420 400
Rm /
MPa ≥540
700 660 690 680
A5 (%) ≥10
15 26 24 20
Z (%)
AKV
在距断裂面 70mm 左右的锻件心部取 2根轴向拉 伸试棒 , 在拉伸试棒附近取 2根 V 形冲击试样及 2根 U形冲 击试 样 , 分 别在 W E-600万 能试验 机和 JBW 300冲击机上进行测试 , 结果如表 2所示 。
表 1 锻件的 化学成分 (质量分数 , % ) T ab le 1 Chem ical composition of the forging (w t%)
0. 30
0. 010 0. 017
基本平行 , 且最后形貌为沿晶态 、没有变形 。这说明裂 纹的形成与锻造有关 , 且形成后又经受了高于再结晶 温度的热处理 , 可判断为锻造过程中或之前就已形成 ,
表 2 试样的力学性能 (20℃)
这里暂且称其为锻造裂纹 。
T ab le 2 M echan ica l proper ties of the sam p les at 20℃
3 改进措施
根据上述分析 , 将原来的圆钢调质处理改为机加 工成筒状后进行调质处理 , 以增大淬透深度 , 即相当于 提高油缸内壁 (卡口在此部位 )的冷却速度 , 并且在淬 火冷却和高温回火冷却操作中加强了工件在淬火油中 的搅动 。经过这两个环节的改进措施 , 再没有出现过 油缸在卡口处横向脆性断裂现象 。
图 2 锻件的过热组织 ×100 F ig. 3 The ove rheat m icro structu re o f the forging ×100
(2) SEM 检验 在断裂面的断裂源区和扩展区 分别錾取试样并在扫描电子显微镜下观察 。断裂源区 形貌因为受到腐蚀的缘故不是很清晰 , 但可见有二次 裂纹 , 如图 3a所示 。 裂纹扩展 区可见明显的 河流花 样 , 如图 3b, 说明扩展区的断裂机理是解理断裂 , 为低 应力脆断 。 为确认源区的情况又对二次裂纹进行了金 相分析 , 发现裂纹为沿晶 , 裂纹两侧晶粒没有变形 , 如 图 4所示。
口进行了仔细的超声波检查 。 结果表明 , 对于平面型
检查 , 结果均为 A0.5, D0.5e, 均属正常 。 对拉伸试样 进行磨抛后以 4%硝酸酒精溶液进行腐蚀 , 结果发现 其晶粒十分粗大 , 显微组织为伪共析形成的珠光体 + 网状铁素体 +魏氏体 , 为严重的过热组织 , 如图 2 所 示。
大型电机轴要求以电炉冶炼的优质 45钢锻造 , 并 经正火 +回火而成 。 锻件长约 3m , 重约 1000kg。 轴 锻件于 2004年 1月 6日送入电机制造厂 , 经超声波检 查未发现超标缺陷 。 2004年 3月 5日 在对该轴距端 面约 600mm 、 240mm 档进行粗车加工至 230mm 时 发现周向裂纹 , 继续车削至 200mm 时突然折断 。 为 此 , 作者对此锻件进行了失效分析 。
98
《金属热处理 》2006年第 31卷第 2期
对 V 型冲击断口按 GB /T12778— 1991《金属夏比
冲击断口测定法 》检查 , 发现试样断口 纤维断面率仅
为 10% ～ 20%, 亦即 FATT50 >20℃。 1. 5 微 观组 织检 验
(1) 金相检验 在断裂面附近 (约 20cm )切取横
作者简 介 :赖春雷 (1974. 12— )男 , 四川自 贡人 , 工程 师 , 学 士 , 主要从事金属材料 失效分 析 、理化 检验 、新工 艺开 发等材 料技 术工作 , 已发 表论文 3篇 。 联 系电 话 :021-64638221-2294, 021-
28 122 51 7 收稿日期 :2005-08-27
Ab stract:The fa ilure ana lysis o f the 45 steel shaft forging w as carried out by m e tallog raphy and SEM. The results show
that due to im proper ho t wo rk ing process, the re are big fo rged c racks and g reat residual stress in the forg ing. The surface
位置 )面积很大 , 呈放射状 , 断面垂直于轴线 , 较粗糙 , 为横断断口 。根据对较少被污染的区域观察 , 断口光 亮有金属光泽 。 瞬断区 (图 1中 C 位置 ), 面积极小 , 有金属光泽 。
滞系数较大 , 油压系统的活塞对油缸卡口的作用力也 不是冲击拉伸载荷 。
上贝氏体较脆 , 促使 27SMi n 钢脆性增 大 。 而 S i 和 M n对高温回火脆性都有促进作用 , S i和 M n同时存 在 , 这种促进作用更大 。尽管没有得到预期的回火索 氏体组织 , 但是 , Si元素在晶界偏聚的事实 , 无疑证明 了只能是高温回火脆性区冷却速度较慢所致 ;晶界偏 聚使晶界弱化 , 是此高温回火脆化的本质 , 也是导致图 3所示的二次沿晶裂纹的原因 , 即仍然存在高温回火 脆性 。 卡环的卡痕 , 在拉应力场中起应力集中的作用 , 尤 其是对质脆的材料 , 这种作用更大 , 极易成为裂纹源 , 所以断口花纹收敛方向指向卡口上的卡痕 。
1 理化检验
1. 1 断 面的 宏观 形貌 断面的宏观形貌如图 1 所示 , 整个断面的大部分
区域有锈蚀和油迹 (该污染可能是在判断裂纹深度时 渗透 、磁粉探伤时形成 )。 裂纹源 (图 1中 A 位置 )位 于稍微偏离轴心的部位 , 呈大小约 60mm ×30mm 的椭 圆形 , 与轴线呈 60°, 表面基本平整 。扩展区 (图 1中 B
/J AKU
/J
≥ 25
≥ 16
20 32 48
49 33 66
57
44
47
48
对于扩展区 , 由于该轴发生的是横断 , 可以断定引 起断裂的应力是轴向拉应力 。 因为锻后整个过程中锻 件都未受大的外力 , 除加热时产生的瞬时应力外 , 仅有 热应力型残余应力符合这种应力状态 。从扩展区的解 理 (穿晶 )形貌及超声波检查的结果来看 , 开裂不可能 发生在加热阶段 , 因而引起开裂的应力不会是瞬时应
截面 , 进行硫印检查 , 结果为小点状 , 小于 1级 ;经低倍
检查未发现肉眼可见的宏观缺陷 。利用拉伸试样头部
分别对该轴的横截面 、纵剖面及 45°斜 面进行夹杂物
图 1 锻件的断口形貌 F ig. 1 F rac ture appea rance o f the fo rging
1. 2 超 声波 检查 为确认进厂验收时超声波检查的可信度 , 又对断
《金属热处理 》2006年第 31卷第 2期
99
力而只可能是热应力型残余应力 。 当锻件从 A r3 及以 上温度冷却到较低温度时 , 心部开始剧烈收缩 , 但此时 表面硬壳已处于冷硬状态 , 将不能按照心部的要求改 变容积和形状 , 从而对心部的收缩产生阻碍作用 , 形成 了心部受到拉应力 , 表面受到压应力的残余应力分布 状况[ 1] 。 表面与心部 的温差是决定残余应力 大小的 主要因素 , 温差越大残余应力越大 。 同时锻件内心温 度降至 650 ～ 550℃可以确定最大温差 , 快速冷却会引 起大的残余应力 [ 2] 。 从锻件的金相组织看形 成了细 薄的网状铁素体及魏氏组织铁素体 , 说明锻件在 A r3 - (100 ～ 200)℃(通常情况下 45钢的 A r3 为 751℃) 温度范围内有很大过冷度 [ 3] 。 紧随其后又生 成了异 乎寻常多的珠光体 , 则可判断在 650℃以下温度范围 内 , 该锻件发生了严重的伪共析 , 冷速也很快 。 综上 , 该锻件在对残余应力大小起决定性作用的温度范围内
垂直于声束入射方向的小平面 , 缺陷波会密集而高 , 不
可能漏检 。 这样 , 可以确认超声波检查验收时存在裂
纹源区缺陷 , 但并未扩展 。 1. 3 化 学检 验
距断裂面 70mm 左右于横截面心部及近断裂面外 圆分别取化学分析试样进行分析 , 结果见表 1。由表 1 可知 , 该轴的化学成分符合 JB /T1271— 1993《交 、直流 电机轴锻件技术条件 》要求 。 1. 4 力 学性 能测 试
由此可见 , 由于工序不当, 热处理达不到预期要 求 , 是油缸脆性断裂的关键原因 , 卡痕是次要原因 。 又 由于此脆性断裂非过载破坏 , 又不承受冲击载荷 , 所以 与使用无关 。
参考文献 : [ 1] 崔 . 钢铁材料及有 色金属 材料 [ M ] . 北京 :机械 工业
出版社 , 1981:82-83.
的裂纹源区 , 超声波探伤时 , 底波有衰减但缺 陷波很
低 。检查人员在高灵敏度探伤情况下如果只注意缺陷
波 (高 )而忽视底波变化 (实际上底波的变化也很难察
觉 , 因为大部分时候底波衰减前后的波峰始终超过满
屏 )并且扫查速度较快的话易造成漏检 。 裂纹扩展后
的情况则完全不同 , 由于扩展面大而粗糙形成了很多
Fa ilure Analysis of the E lectr icalM achine Shaft F org ing
LA I Chun-le i, SONG M ei
(Techn ique Departm ent, Shanghai E lectric M achine ry Co. , L td. , Shanghai 200240, China)
2 断裂原因分析
对于裂纹源区 , 其方向与锻造时最大切应力方向
试样
C
Mn
Si
S
P
JB /T 1271 0. 42 ～ 0. 50 0. 50 ～ 0. 80 0. 17 ～ 0. 37 ≤ 0. 030 ≤ 0. 030
心部
0. 43
0. 54
0. 29
0. 010 0. 016
外圆
0. 44
0. 53