分享：船用艉轴断裂失效分析

摘 要:通过宏观分析、化学成分分析、力学性能试验、金相检验、断口扫描电镜及能谱分析等方 法分析了某船用艉轴断裂失效的原因.结果表明:该船用艉轴的化学成分、力学性能均符合相关标 准和规范的要求,显微组织为正常的铁素体＋珠光体,断口形貌具有疲劳断裂特征,电偶腐蚀疲劳 是造成该船用艉轴断裂的主要原因. 

关键词:船用艉轴;断裂;疲劳;电偶腐蚀;失效分析 

中图分类号:U６６４．２１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７６９Ｇ０３ 

船用艉轴为轴系的最后端,其尾部与螺旋桨连 接,用于传递扭矩和承受推力.某渔轮在海上行驶 ５a(年)左右,艉轴突然断裂,其材料为３５钢,直径 为２９０mm,长度为４４２０mm,质量为２４９１kg,锻 造成型后经正火＋回火处理.为查明该船用艉轴断 裂原因,笔者对其进行了检验和分析. 

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析 

艉轴刚断裂时的形貌如图１所示,可见艉轴外 部包有合金钢轴套,经检查合金钢轴套外表面基本 无锈蚀,其与艉轴外缘接触处腐蚀严重.艉轴断裂面中部(图１中 B 处)表面凹凸不平,有金属光泽, 未见被氧化的迹象;其余断裂面(图１中 A 处)的表 面较平整光滑,没有金属光泽,存在被氧化的迹象. 为方便取出艉轴,在其断口上焊接一吊耳,如图２所 示.断口宏观形貌显示:该艉轴断口部分区域有较 光滑平坦的裂纹扩展区,可以观察到贝纹线(图２中 a区域);断口大部分区域为较粗糙的瞬断区.根据 断口宏观形貌特征可以确定,该艉轴断裂性质为疲 劳断裂[１Ｇ２];根据疲劳裂纹扩展规律[３]可以确定,疲 劳裂纹源位于图２中的a区域.

１．２ 化学成分分析 

’德国 Bruker公司 Q８ MAGELLAN 直读 光谱分析仪对断裂艉轴进行化学成分分析,结果见 表１.结果表明,该艉轴材料的化学成分满足中国 船级社 «材料与焊接规范»(２００６)和 GB/T６９９－ ２０１５«优质碳素结构钢»技术要求.经计算,该艉轴 材料的碳当量为０．５２％.

１．３ 力学性能试验 

在断裂艉轴１/４处取纵向拉伸试样和冲击试 样,分别 进 行 室 温 拉 伸 和 夏 比 冲 击 试 验,结 果 见 表２.可见断裂艉轴的各项力学性能也符合中国船 级社«材料与焊接规范»(２００６)和 GB/T６９９－２０１５ 的技术要求.

１．４ 金相检验 

在艉轴断口边缘处(a区域)取样,磨制金相试 样后采用蔡司Imager．M２M 金相显微镜进行金相 分析[４].观察发现有大量裂纹,裂纹均从艉轴外缘 向轴心扩展,且前端较尖锐,尾部较钝,最大裂纹尺 寸约２．５mm,裂 纹 内 部 有 浅 灰 色 的 氧 化 物,见 图３~４.艉轴显微组织为铁素体＋珠光体[５],裂纹 两侧未见明显脱碳,见图５~６. 

１．５ 断口形貌及微区成分分析 

采用蔡司 Sigma场发射扫描电镜(SEM)对艉 轴断口形貌进行观察,发现该艉轴腐蚀层表面有大 量微观裂 纹,见 图 ７.采 用 牛 津INCA２５０ 能 谱 仪 (EDS)对断口表面腐蚀产物(图７)及裂纹内腐蚀产 物(图８)进行能谱分析[６],结果见图９.可见腐蚀产 物中除铁主峰线外,还可见氧、氯等峰线,表明腐蚀产物主要为含氯、氧的化合物.

２ 综合分析 

由化学成分分析、力学性能试验结果可以看出, 该断裂艉轴的化学成分、力学性能均符合中国船级社«材料与焊接规范»(２００６)和 GB/T６９９－２０１５技 术要求,可排除材料因素引起艉轴断裂的可能.

由金相检验结果可以看出:艉轴显微组织为铁 素体＋珠光体,组织正常,未见异常正火态组织,可 排除热处理因素引起艉轴断裂的可能.艉轴边缘处 有大量裂纹,且裂纹两侧无明显脱碳,说明裂纹是在 使用过程中逐渐产生并扩展的.

根据断口宏观形貌分析结果可以确定,该尾轴断裂性质为疲劳断裂;根据边缘裂纹形貌分析和腐 蚀产物成分分析结果可确定,艉轴发生了电偶腐蚀; 由此可推断艉轴断裂为电偶腐蚀疲劳所致.由于轴 套材料为合金钢,艉轴材料为碳钢,两者具有不同的 电位,当两者组合浸入海水(海水为电解质)时,会产 生电池效应,发生电偶腐蚀[７],在两金属接触边缘区 域,电位较低的３５碳钢快速腐蚀,而电位较高的合 金钢轴套则减缓腐蚀.电偶腐蚀一旦产生,各区域 在一定的条件下会发生不同模式的腐蚀,有金属全 面腐蚀,有点腐蚀(深入后成为微裂纹). 

艉轴在服役状态下,所承受的交变应力会加速 微裂纹的扩展,当艉轴剩余截面所承受的应力大于 材料本身的强度时,便会发生断裂失效.

３ 结语及建议 

该船用艉轴断裂为电偶腐蚀疲劳所致.采用大 阳极、小阴极,或者对于不同电位的金属连接件进行 一定的防护处理,可减少此类事件的发生.

参考文献: 

[１] HULLD．断口形貌学———观察、测量和分析断口表 面形貌的科学[M]．李晓刚,译．北京:科学出版社, ２００９． 

[２] 孙智,江利,应鹏展．失效分析:基础与应用[M]．北 京:机械工业出版社,２００５． 

[３] 刘瑞堂．机械零件失效分析[M]．哈尔滨:哈尔滨工业 大学出版社,２００３． 

[４] 王荣．机械装备的失效分析(续前)第４讲 金相分析 技术(上)[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(２):７７Ｇ ８４,１０９． 

[５] 李炯辉．金属材料金相图谱[M]．北京:机械工业出版 社,２００６． 

[６] 王荣．机械装备的失效分析(续前)第５讲 定量分析 技术 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册),２０１７,５３(６):４１３Ｇ ４２１,４５２． 

[７] 魏宝明．金属腐蚀理论及应用[M]．北京:化学工业出 版社,１９８４．

文章来源——材料与测试网