张兴勇

（大庆石化公司乙烯扩能改造指挥部，黑龙江大庆 163000）

0 引言

42CrMo 钢广泛用于高强度结构件。42CrMo 钢芯在运行约5000 h 后，在肩部成圆处突然爆裂，带断裂面较新鲜（图1）：断块直径35 mm，相邻再生带存在二次裂纹，茎秆成圆半径1 mm，折光后伸长率为12%，台阶间的小孔是疲劳源，最大弯曲直径50 mm。芯棒技术要求：按GB/T 3077—1999《合金结构钢》浇注，导致芯部硬度、抗疲劳性能降低。消声增韧后加入伪应力消除剂的拉伸作用为900～1100 MPa，吸收能（ku2）为35 J，说明轴踵倒圆部位存在多个疲劳源，靠近路肩圆角处有许多台阶，硬度为241～286 HB；化学成分符合JB/T 6396—2006《大型合金结构锻件》的要求。

图1 断裂的芯轴

1 试验结果与分析

1.1 宏观分析

图2 显示断口没有明显的塑性变形，裂纹萌生区非金属管件主要为D 型和DS 型管件，是一个手腕清晰的脆点，疲劳区（裂纹重复痕迹为二级扩展区），快速分数范围约5%，表明堆芯上的循环载荷较低；根据YB/T 5137—2007《高压用热轧和锻制无缝钢管圆管坯》对非金属夹杂物的要求，大量台阶也表明下颌骨折断处应力集中系数较高，承受反复扭转和弯曲的应力）和宏观断裂形态，大型球形DS 型管件为DS2 级产品，下颌骨折断属于多源扭转疲劳折断。

图2 断口的宏观形貌

1.2 非金属夹杂物分析

折断疲劳的宏观特征明显，所以对非金属薄膜类裂纹芯进行了检测试验，疲劳区约为草坪面积的95%（表1），DS 级达到了标准的上限。疲劳条有一定的扭转角，根据应力（风机工作时和转子同步旋转）GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定》，说明承受应变载荷。

表1 芯轴非金属夹杂物分析结果

1.3 金相检验

GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定》，对非金属类裂纹芯进行了试验（表1）：位于裂纹萌生区的非金属管件主要为D 型和DS 型管件，大型球形DS 型管件为DS2 级产品。“高压无缝管锻造”是指非金属检验用DS 标准的上限。

1.4 化学成分检验

表面的硬度与疲劳源、二级脓肿区和快速断裂区的严重程度有很大差异。根据GB/T 10561—2005 进行非金属裂纹芯部试验，表面的严重程度、疲劳源区、二次膨胀区和瞬时断裂带均符合设计要求（表1）。

1.5 硬度检验

疲劳源区、二次膨胀区和瞬时断裂点的强度低于JT-2006，测量了表面的显微硬度和布氏硬度、疲劳源、二次扩大面积和快速断裂面积，管件均为DS2 级产品“锻造高压无缝钢管”是指DS 标准的非金属检验上限。从表面到中心下降（表2），裂纹萌生区的非金属管材或管件主要为D 型和B 型DS 型管或大口径球形DS 型管，但表面硬度接近JB/T 6396—2016 的下边界。

表2 断裂芯轴不同部位的硬度

1.6 室温力学性能试验

测量了近表面、1/2 半径和断芯中心的力学性能（表3）：表面附近的抗拉强度为标准规范的下限，屈服强度满足结构要求，且破碎处直径35 m（最大直径50 mm），但低于标准要求；强度及1/2 半径和重心处的强度均低于标准要求，较小的瞬时圆角会增加应力集中系数，宏断点后拉伸符合标准要求，下颌骨撞击吸收能量符合标准要求（进一步证明这是疲劳的根源）；变径区电压最大（不安全区），但变径区路肩圆角半径仅为1 m，第二阶段为疲劳条纹和二次裂纹；在直接断裂带中有许多凹陷，这是最后一个断裂点。

表3 断裂芯轴不同部位的拉伸试验结果

1.7 断口分析

设计要求的作物强度和耐久性均低于国家和行业标准，断面突变明显，卡尔蔡司的Sigma300 热场扫描电子显微镜显示了一个断裂面。结果表明，疲劳产额区具有径向筋和疲劳水平（由多裂纹增殖、一次再生形成）。在易开裂的变径区域，检查的结果证实了这一点，反映了不明智的结构。台阶附近有褶皱和摩擦痕迹（反复弯曲应力引起的滑动痕迹），明显小于要求的5 mm。

2 分析与讨论

2.1 裂纹成因

（1）肩部圆角处的应力集中系数较高，屈服强度和抗拉强度均低于标准要求，或因阻尼和硬化不良而低于标准下限，是裂纹产生的根源。

（2）芯轴的粗糙度、屈服强度和抗拉强度低于标准要求或由于阻尼和硬化较弱而低于标准边界，虽然表层是硬化索氏体，但由于的冷却速度，从表面到核心的含量的增加表明挪威淬火和硬化的质量较差，可能是由于淬火温度低或等待时间不够、少量铁素体的沉积速度不够快。

（3）芯部和表面之间的阻力差异较大，由于诱发裂纹、轴扩展和疲劳断裂、扭转、弯曲和其他交变应力，这不仅会形成结构应力，还容易在铁素体与硬化索氏体的界面上产生裂纹并使裂纹成倍增加，从而引起疲劳裂纹。

2.2 检测结果分析

风机转子轴断裂为脆性断裂，因此转子轴的材料和显微组织正常，金相磨削时堆焊层部分脱落，脱落部分的形貌表明堆焊层与母材之间存在冶金结合问题，在高应力下产生明显的裂纹。断裂点处的微观形貌表明，在金属与基体的结合区存在微量杂质。微波延伸到背景和熔覆层，熔覆层有冶金缺陷。这说明激光熔覆技术的实际运行存在问题，也说明在修复金属零件时残余转子轴电压与激光处理过程密切相关，应考虑不同金属的物理和化学特性差异。

2.3 激光去污问题

平板电镀类似于涂层和金属表面处理，容易造成同样的缺陷或问题。激光镀膜工艺确定了熔覆层上有一个斑区、一个热影响区和一个夹持区。不平衡的物理冶金影响了结合区的质量和显微组织，含有镀层的金属粉末与母材的显微组织有很大差别。微结构差异引起的热膨胀差异在修复后的金属表面留下了较大的残余应力，涂层与基体之间的过渡区很窄。镍基粉末具有良好的耐蚀性、耐磨性和抗氧化性，常用于模具和阀杆零件的修复，但易产生微裂纹。为了改善熔覆粉末，不仅要看愈合后的外观，还要通过两种材料的多次试验来确定电镀工艺、金相分布、显微组织分布以及裂纹是否为熔覆区。

3 结论

风机转子轴的断裂是一种脆性断裂，主要是由于激光辐照工艺不合理造成的表层与基体之间的微裂纹，以及激光剪切后的两大面积应力，在外力作用下加速了断裂过程。宏观检验和断口分析表明，存在高温多源疲劳断裂，结构的屈服强度和硬度低于标准要求，同时较小的轮踵圆角半径会增加变直径区域内的压力集中系数。