不锈钢泵轴的断裂分析

硬度值是在金相样品上进行的，测试点离轴中心约 5－10 mm，上表最右边的数据在样
品上靠近轴边缘。但上表测试数据不代表轴的最中心或最边缘的硬度值。从上述结果可以看
分 出，轴的硬度基本正常
讨论
从该轴的受力状态及断口的形貌可以看出三根水泵轴的断裂都是疲劳破坏产生的。1#
析 断口和 2#断口都有十分明显的平坦裂纹扩展区，平坦的扩展区是疲劳破坏的典型宏观特征。
断口沿周边有强烈的应力集中和局部腐蚀坑共同作用是导致疲劳裂纹多处萌生及起始裂纹 扩展的主要原因。裂纹起始后径向扩展较快是由于主要受弯曲及拉力荷载作用的结果，同时
网 也由于材料的强度不高；以
产生多裂纹源，由于键槽传递扭据，环向（圆周方向）扩展较快，但同时也受弯曲的联合作 用，破坏也是疲劳造成的，扫描电镜看到的疲劳辉纹，是疲劳破坏的有力证据。
记录号：JS-AL-转动设备（轴和外壳）-011
不锈钢泵轴的断裂分析
摘要：泵轴材料为 0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢，使用 2 年左右就发生断裂，泵轴断裂部位发生在
中有键槽的底部。对断轴进行宏观检查、扫描电镜观察、金相检验及硬度检验，结果表明，1. 轴的破坏性质属于疲劳断裂。2.轴的键槽底部加工不好，造成键槽底部的应力集中过大。 关键词：泵轴；键槽底部；疲劳断裂；应力集中 国 材料种类/牌号：不锈钢/0Cr17Ni4Cu4Nb 概述 某石化泵有限责任公司一根水泵断轴，见图 1。据介绍该水泵扬程为 330 米，流量为每 应 小时 500 立方米。泵轴材料为 0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢，使用 2 年左右就发生断裂，泵轴断裂 部位发生在有键槽的底部。公司曾对泵轴材料强度做过检验，结果合格。送来前泵轴已经断 裂多天。对轴的失效原因进行了分析。 急
分
测试过程与结果
图 1 水泵断轴
析
网 宏观检查 图 2 是断轴的宏观断口的放大像，可以清楚地看到断口沿键槽底部不同高度形成多个平 面（键槽底部是应力集中部位），瞬断区靠近断口心部。断口表面肉眼看不到锈蚀，但断口
棱角部分和边缘多处受到研磨。
图 2 断轴的宏观断口
1
图 3 两张图是断口的宏观像。由下图可以清楚地看到断口表面是沿键槽多处启裂，各自 向内和沿周边扩展，形成有较大高度差的台阶。不同高度萌生裂纹后，在扭距的作用下（键 槽处主要受扭距）沿周边（环向）扩展快，形成螺旋状断口。瞬断区较大，可能与扭转力和 轴向拉力相对较大有关。
中
国
应 (a) 键槽处起始裂纹（粗箭头）
(b) 沿轴的环向快速扩展区（细箭头）
急图 3 断口的疲劳源区和扩展区
扫描电镜观察 将轴的断口用线切割取下，经丙酮清洗后，整体或部分放入扫描电镜观察。断轴的断口
分 在许多部位都可以看到沿环向快速扩展的疲劳引起的平坦破坏区。疲劳源起始于不同部位的
键槽底部。由于键的反复挤压作用，电镜下疲劳源区的形貌难以分辨，但几个扩展区上都可 以疲劳扩展的辉纹，如图 4。这是疲劳断裂的有力证据。
中资料整理人：臧启山、姚 戈 国 审核人： 臧启山
中国科学院金属研究所失效分析中心 中国科学院金属研究所失效分析中心
应
急
分
析
网
4
析
网
图 4 断口各处发现的脆性疲劳辉纹 对轴的断口进行 EDS 分析，表明材料成分与 0Cr17Ni4Cu4Nb 不锈钢成分相符。 金相检验 3＃样品的金相组织如图 5 所示基本正常。
2
中
国
图 5 0Cr17Ni4Cu4Nb 轴的金相组织形貌
硬度检验
样品
应硬度
HRC 值
急 轴
34.6
32.4
35.2
结论
1.轴的破坏性质都属于疲劳断裂。
2.轴的键槽底部加工不好，造成键槽底部的应力集中过大。
建议
改进键槽最底部的加工，键槽底部尽可能光滑或有 R 过渡。
3
主要分析人员及单位 臧启山 研究员 姚 戈 副研究员 苏会和 高级工程师
中国科学院金属研究所失效分析中心 中国科学院金属研究所失效分析中心 中国科学院金属研究所失效分析中心