橡胶脱水挤出机螺杆轴断裂失效分析

时间：2024-07-28

马小明汤燕

(华南理工大学机械与汽车工程学院)

橡胶脱水挤出机螺杆轴断裂失效分析

马小明*汤燕

(华南理工大学机械与汽车工程学院)

针对某挤出机螺杆轴断裂的问题进行断口宏微观观察、化学成分分析、材料金相组织检查、硬度检测和力学性能测试。结果表明：由于0Cr13材料承受交变载荷作用，裂纹从靠近边缘的夹孔处扩展，轴材料中大量呈网状分布的铁素体使螺杆轴的塑性指标低于技术要求，抵抗脆性断裂的能力严重下降从而引起螺杆轴疲劳断裂。

挤出机螺杆轴疲劳断裂失效分析

某石油化工机械厂的一台橡胶脱水挤出机螺杆轴在工作一段时间后，在轴肩变径处螺纹起始端的小直径截面上，沿径向发生断裂，断口直径为140mm。造成轴类零件发生疲劳断裂的原因通常是材料的缺陷和存在有应力集中的轴肩、退刀槽、键槽，或设计不合理、装配不当[1]。该挤出机螺杆轴材料是0Cr13，属于耐酸不锈钢，是铁素体不锈钢中含铬量较低的一种。具有良好的塑、韧性和冷成型性，而且优于含Cr量更高的其他铁素体不锈钢，其金相组织特征为铁素体-马氏体。主要用于汽轮机叶片、结构架、不锈设备、衬里、螺栓及螺帽等。

为分析螺杆轴断裂失效的原因，笔者采用金相显微镜、扫描电镜及能谱仪等设备对断裂失效的螺杆轴的宏观断裂特征、轴材料化学成分、裂纹和断口形貌进行观察与分析，并按照相关国家标准，采用力学实验机对螺杆试样的拉伸、冲击及硬度等力学性能进行检测。确定了螺杆轴断裂的性质为疲劳断裂，分析引起螺杆轴断裂的主要原因，提出预防的具体措施，以免类似事故再次发生。

1 螺杆轴断口的宏微观形貌

1.1断口宏观形貌

该挤出机轴断口的宏观形貌如图1所示。由图1可知：挤出机轴断口截面可以观察到裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区3个区域[2]；在轴的表面涂有一层防护层，防护层有脱落的迹象；裂纹起源点在轴肩变径处螺纹起始端的小直径截面上最外端与涂层结合处；轴起始端螺纹的根部与轴的主体间存在裂缝。裂纹起源于构件的缺陷部位，在输出轴螺纹起始端截面的最大直径处受到的交变剪切应力最大[3]，在此位置上的缺陷最易成为裂纹源点。

a. 断口截面

b. 起裂源处

c. 螺纹根部

1.2断口微观形貌

采用HITACHI-S3700型扫描电镜对断口进行微观观察。在断口裂纹源区(图2)发现少量直径约为32.5μm的微孔，微孔周围存在裂纹。断口裂纹源区在低倍数下可观察到一些微裂纹，裂纹起源于防护层与轴的结合处，一条主裂纹从轴的边缘延伸向轴心，在主裂纹上又出现几条二次裂纹形貌(图3)。断口裂纹源区在高倍数下可观察到疲劳辉纹(图4)。

2 材料成分检测与显微组织观察

2.1化学成分检测

从断裂螺杆轴的断口部位制取试样进行化学成分分析，结果见表1，可以看出其化学成分符合0Cr13钢的标准要求。

a. 孔洞和裂纹

b. 孔洞

图3 二次裂纹形貌

图4 疲劳辉纹形貌

表1 螺杆轴的化学成分 wt%

2.2金相组织观察

在轴断面的不同部位制取金相试样，经磨抛腐蚀后，采用DMM-400C型光学显微镜进行金相组织观察。螺杆轴螺纹根部、轴向面和径向面的金相组织分别如图5～7所示。螺杆轴金相组织基体为白色的铁素体，在铁素体间存在回火索氏体[4]；螺杆轴横向面金相的铁素体呈长条与块状分布，纵向面金相的铁素体呈网状分布；轴上螺纹材料[5]与轴材料不同，螺槽起始端处与轴间存在微观裂纹。

图5 螺杆轴螺纹根部的金相组织

图6 螺杆轴轴向面的金相组织

图7 螺杆轴径向面的金相组织

3 轴材料的硬度及力学性能

3.1硬度检测

采用MVC-1000D1型显微硬度计对轴断面从边缘开始沿半径向轴心进行显微硬度测试，结果见表2。由表2可知，轴断面上各个部位的硬度值相差不大，平均硬度值为285.11HV(约为布式硬度271HB)。0Cr13材料标准硬度值不大于183HB，说明断裂的螺杆轴具有足够高的硬度，需要进一步对材料强度、韧性、塑性进行测试。

表2 螺杆轴的硬度测试结果 HV

3.2力学性能测试

采用WAW-500C型微机控制电液伺服万能试验机和ZBW-300J型金属摆锤冲击试验机，分别对断裂螺杆轴进行拉伸和冲击测试，结果见表3、4。由表3可知，挤出机螺杆轴的抗拉强度σb符合技术要求，但螺杆轴的屈服强度σ0.2不符合标准。断后伸长率δ和断后收缩率ψ分别比技术要求低了约9%和15%。由表4可知，轴的轴向冲击韧性比径向冲击韧性稍好一些，相差不多。但不论是径向冲击韧性还是轴向冲击韧性，其值都比较小。

表3 拉伸测试结果

表4 冲击测试结果

4 螺杆轴断裂原因分析

4.1力学分析

橡胶脱水挤出机螺杆轴发生断裂的螺杆轴，最大挤出功率P=45kW，运行转速n=25r/min，螺杆有效长度l=8m，螺杆直径D=140mm，机筒直径D0=180mm。通过分别计算其压应力、剪应力和弯曲应力的值，根据第三强度理论将轴端口截面上的点受到的总应力与许用疲劳极限进行比较得出结论。

挤出机机头压力对螺杆形成的轴向力F在螺杆断面上引起压应力σy为：

式中F——轴向力，为机头压力p与机筒截面积的乘积；

p——机头压力，MPa，取p=30MPa。

扭矩产生的剪切应力τ为：

式中Mk——螺杆的轴断口面扭矩，N·m；

n——螺杆转速，r/min；

P——主电机最大功率，kW；

Wn——轴断面的抗扭截面模量，mm3；

η——机械传动效率，取η=0.9。

螺杆与传动轴为刚性连接，故螺杆断面有自重产生的弯应力σw：

式中G——螺杆自重；

g——重力加速度，m/s2；

l——螺杆有效长度，m；

Mw——螺杆弯矩为Gl/2;

ρ——0Cr13的密度，ρ=7750kg/m3。

根据第三强度理论[6]，螺杆的总应力σ为：

0Cr13的疲劳强度确定公式为：

σ-1=0.385σb+94=396.28MPa

式中n——安全系数，n=2.5；

σ-1——材料的疲劳极限[7]，MPa；

[σ]——许用疲劳极限；

σb——材料的抗拉强度。

σ=188.07MPa>[σ]=158.21MPa

4.2断裂原因综合分析

螺杆轴断口呈典型的疲劳断裂特征，宏观可见明显的裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区，微观可见疲劳辉纹特征，疲劳裂纹起源于轴肩变径处螺纹起始端的小直径截面上的最外端与涂层结合处。此处受到的交变剪切应力最大，结合处的缺陷容易先产生裂纹并扩展。通过力学分析计算也进一步确定，轴端口截面上的点受到的总应力超过许用疲劳极限，在长期反复作用后，螺杆轴易发生疲劳断裂。由以上分析判断，该螺杆轴的断裂性质为疲劳断裂。

挤出机螺杆轴的热处理工艺为调质处理，0Cr13钢经淬火加高温回火后得到回火索氏体。而金相观察结果表明，螺杆轴的显微组织中存在大量的粗大网状铁素体。而从冲击测试后的断面可以看出，整个断面没有出现纤维区和剪切唇区，均为准解理特征，属于脆性断裂特征，轴的冲击韧性较差。加热温度、保温时间及冷却速度等方面的控制问题导致了大量粗大网状铁素体的析出，这将降低材料的力学性能，尤其是塑性指标。而从拉伸测试也可得出挤出机螺杆轴的屈服强度不符合技术要求，断后伸长率和断后收缩率也低于技术要求的下限。因此，螺杆轴在使用过程中抵抗脆性断裂的能力严重下降，螺杆轴发生断裂而失效。