急冷水泵轴断裂失效分析

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翻新时间：2022-09-28

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急冷水泵轴断裂失效分析

【关键词】断轴；热处理；疲劳

一.泵的主要参数

设计流量：827M3/h；

扬程：77M；

轴功率：290KW；

转速：1480rpm；

输送介质：急冷水；

二. 检验与分析

2.1 宏观检验

对断轴进行宏观观察，发现泵轴断裂部位位于轴套一端靠近叶轮侧，断口外沿平齐，没有明显的宏观塑性变形，为脆性断裂[1]。

断裂起源于轴的键槽附近部位，断口由清晰可见的三个区组成，即疲劳源区（图2的A区）；疲劳裂纹扩展区，又称贝纹线区（图2的B区）以及最后断裂区或瞬断区（图2的C区）[2]，是典型的疲劳断裂断口，见图2。

疲劳源区是疲劳裂纹的核心区。一般在轴的表层或近表层，是一个非常光滑的区域，这主要是由于疲劳裂纹在该区扩展速度很慢及疲劳裂纹反复张开闭合而使断面磨光的缘故。

图2的B区为疲劳裂纹扩展区，其形态如贝壳状，又称贝纹线区。由于泵轴在旋转的同时还承受附加弯曲应力，因此该贝纹线不是等距离的。

当疲劳裂纹扩展到一定尺寸后，轴所剩材料面积不足以承受外力时，便产生快速断裂，从而产生了最后破坏区，宏观表现为高低不平的粗糙的灰色断口。同时，因为该泵轴为旋转弯曲疲劳断裂。故其最后破坏区的位置不在裂纹源的对面，而是相对于轴的旋转方向偏离一个角度。

同时，断口附近的轴表面还覆盖着一层较为光亮的金属，通过宏观比对，确认该覆盖金属应为开裂后在运行过程中摩擦所致，如图3。整体观察发现泵轴表面有灰黑色腐蚀产物，并有点状腐蚀坑存在，见图4。

2.2 化学成分分析

2.3 硬度检测

对轴的断面沿径向进行布氏硬度检验，测试部位如图5所示，每一测点沿轴端面均布测试四个点，并取其平均值。具体测值如下表2：

由测试值可以看出，硬度值由表面至芯部逐渐降低，表面硬度较高，芯部硬度较低。

2.4 金相检验

对断轴断面进行金相检验，从轴外表面向芯部共取3点，取点部位见图6。外表面附近金相组织为回火索氏体，组织较为细小均匀，为调质处理后的正常组织，如图7。中间部位金相组织为回火索氏体+少量铁素体，如图8。芯部金相组织为回火索氏体+条（块）状铁素体，组织较为不均匀，见图9所示。

3 失效原因综合分析

（1）从宏观检验来看，该轴是由于疲劳运行，导致的脆性断裂。疲劳裂纹的核心区在轴的表层，是一个非常光滑的区域，这是由于疲劳裂纹在该区扩展速度很慢及疲劳裂纹反复张开闭合而使断面磨光的缘故。

（2）从轴的光谱化学分析来看，其合金元素含量均在国家规定的标准范围值之内，排除了材质方面存在问题的可能。

（3）对选取的轴端面半径方向均布的四个测点进行硬度测试并取其平均值，结果显示，该轴硬度值也在国家规定的标准值范围之内，排除了该轴在制造过程中相关调质处理等方面存在问题的可能。

（4）从金相检验结果分析，该轴从外表面附近较为细小均匀的回火索氏体金相组织，到中间部位含有少量铁素体回火索氏体组织，最后到轴中心部位含有条（块）状铁素体且组织较为不均匀的回火索氏体组织，说明从轴的表面到轴中心部位铁素体含量越来越多，回火索氏体越来越不均匀。从微观组织来看，这也是该轴断裂的一个主要原因。

同时轴上的键槽、表面的腐蚀坑等加剧了应力集中，在上述因素的共同作用下，轴产生了疲劳断裂。

4 结论

该泵泵轴的断裂为高周疲劳断裂，同时其表面的腐蚀又加速了断裂。

5 建议

（1）利用泵检修或切换备台时，对轴表面进行宏观检查，必要时进行表面无损检测。

（2）运行期间采取有效措施减少泵轴振动，同时控制急冷水质量，减轻介质对轴的腐蚀。