304不锈钢轴断裂失效分析

胡 佳

（宁波镇海炼化利安德化学有限公司，浙江宁波 315200）

1 屏蔽泵断轴

某企业中屏蔽泵P 输送50%碱液，为装置关键泵。其流量为5.3 m3/h，扬程150 m，操作压力2.5 MPa，转轴材料为304 不锈钢。

该屏蔽泵在正常运行过程中，在毫无征兆的情况下轴向窜动突然报警。观察趋势图，可以明显地看出轴窜量有一个突变（图1）。

解体检查，该轴断口起裂处（裂纹源）位于轴径Φ28 mm 与Φ33 mm 过渡机加工台阶处，裂纹源处于肉眼可见的明显车销加工刀痕，形成应力集中区域；断口存在疲劳扩展台阶，表面多处有摩擦挤压痕迹，断口平齐呈银灰色，具有脆性疲劳开裂特征。

起裂处位于轴径过渡机加工台阶应力集中处，失效驱动轴宏观形貌如图2 所示。

2 304 不锈钢断裂机理分析研究

2.1 成分检测

对该轴的基体304 不锈钢材料进行化学元素成分检测，相关结果见表1。

图1 轴向窜动突然报警

经检测材质合格，符合相关标准对304 不锈钢的要求。

图2 断裂轴和裂纹位置的宏观形貌

表1 304 不锈钢化学元素分析 %

基体的非金属夹杂物评级结果为，无脆性夹杂物、塑性夹杂物，点状不变性夹杂物的夹杂物级别为0.5 级（图3）。依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，轴基体的非金属夹杂物评级符合要求。

图3 非金属夹杂物检测结果

2.2 金相组织分析

母材金相组织为单相奥氏体，金相组织合格（图4）。

图4 母材金相组织为单相奥氏体

2.3 力学性能测试

将轴基本取样加工成的拉伸试棒，在力学拉伸试验机上进行检测（表2），测试结果符合304 钢标准要求，力学性能合格。

2.4 断口扫描电镜分析

疲劳源区呈疲劳挤压痕迹，存在明显的机加工台阶痕迹（图5）。

由扫描电镜分析可知：断口呈快速疲劳脆性开裂，存在着疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区。断口疲劳源（起裂处）呈快速拉断开裂挤压特征，疲劳扩展区扫描电镜形貌存在疲劳挤压辉纹。疲劳源位于轴径变化台阶机加工应力集中处，机加工痕迹所形成的应力集中，是造成其早期开裂形成疲劳源的主要原因。

表2 力学性能测试结果

图5 断口起裂处扫描电镜低倍形貌

3 结论

（1）根据上述分析可知，断裂轴的化学成分为304 不锈钢，材质合格。基本非金属杂物、母材金相组织、力学性能等均符合不锈钢要求。

（2）轴断裂形式为疲劳开裂，疲劳源位于轴径变化台阶机加工应力集中处，机加工痕迹所形成的应力集中是造成其早期开裂形成疲劳源的主要原因。

（3）建议机泵生产厂家改善机加工工艺：在轴径变化台阶处进行机加工时，尽量消除机加工痕迹，提高表面光洁度；可以采用圆角过渡，防止造成应力集中。