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凝结水泵主轴断裂分析 ① 彭碧草１，２， 何朋非２， 熊 亮１，２， 龙 毅１，２ （１．国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 ４１０００７； ２．湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，湖南 长沙 ４１０００４） 摘 要 采用宏观检查、化学成分分析、力学性能测试、显微组织观察和扫描电镜等试验方法，对某火电厂凝结水泵主轴断裂的原 因进行了分析。 结果表明，凝结水泵主轴的原材料存在成分偏析是大轴断裂的主要原因；主轴原材料发生成分偏析后通过简单的 热处理工艺未得到均匀的调质组织，从而导致材料力学性能下降；同时缩孔的存在给疲劳源的产生创造了条件。 关键词 疲劳断裂； 失效分析； 成分偏析； 缩孔； ４０ＣｒＮｉＭｏ 中图分类号 ＴＧ１１１文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１５．０３．０３７ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１５）０３－０１３８－０３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｓｐｉｎｄｌｅ ｏｆ Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅ Ｐｕｍｐ ＰＥＮＧ Ｂｉ⁃ｃａｏ１，２， ＨＥ Ｐｅｎｇ⁃ｆｅｉ２， ＸＩＯＮＧ Ｌｉａｎｇ１，２， ＬＯＮＧ Ｙｉ１，２ （１．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｈｕｎａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００７， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｕｎａｎ Ｘｉａｎｇｄｉａｎ Ｂｏｉｌｅｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｔｅｓｔｓ Ｃｅｎｔｅｒ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００４， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅ ｐｕｍｐ ｓｐｉｎｄｌｅ ｏｆ ａ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｍａｃｒｏ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ， ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｅｓｔｓ， ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＥＭ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｒｅａｓｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ． Ｕｎｉｆｏｒｍ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｎｏｔ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｓｉｍｐｌｅ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｄ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ， ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｃａｖｉｔｙ ｗａｓ ｂｅｎｅｆｉｔ ｔｏ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｓｏｕｒｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｆａｔｉｇｕｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ； ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ； ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｃａｖｉｔｙ； ４０ＣｒＮｉＭｏ 某电厂 ２ 号机组 ２Ａ 凝结水泵主轴在运行过程中 发生断裂，主轴材质为 ４０ＣｒＮｉＭｏ，直径 １０８ ｍｍ，常温 运行，运行转速 １ ４８０ ｒ／ ｍｉｎ，累积运行约 ４０ ０００ ｈ。 为 探讨主轴发生断裂的原因，本文从断口形貌、化学成 分、力学性能和金相组织等方面进行了分析。 １ 试 验 成分分析在 ＦＯＵＮＤＲＹ－ＭＡＳＴＥＲ Ｐｒｏ 型牛津全谱 立式直读光谱仪上进行。 沿断裂的水泵大轴纵向取尺 寸为 Φ１０ ｍｍ １６０ ｍｍ 的拉伸试样和尺寸为１０ ｍｍ １０ ｍｍ ５５ ｍｍ 的 Ｕ 型缺口试样分别在 ＵＴＭ５１０５ 型 万能材料试验机和 ＪＢＮ－３００ 型冲击试验机上进行力 学性能试验。 金相试样经常规制样方法制备后用 ４％ 硝酸酒精溶液腐蚀，在蔡司显微镜上进行观察。 断口 原始形貌在 ＪＳＭ－６３６０ＬＶ 型扫描电镜下进行观察。 ２ 结果与讨论 ２．１ 宏观检查 断口大部分形貌未被破坏，保留完整，断面无明显 塑性变形，断口宏观形貌如图 １ 所示。 图中 １ 区和 ２ 区断裂面表面光滑，且 １ 区可见明显贝纹线，即大轴断 裂方式为疲劳断裂［１－２］。 在两个区域形成疲劳源后， 各区域裂纹源大致以相互垂直的方向扩展并在某处汇 合。 当大轴的有效承力面积不足以承受施加应力时发 生瞬间断裂，并留下宏观可见的明显撕裂条带，如图中 ３ 区所示。 图 １ 凝结水泵主轴断口宏观形貌 ２．２ 成分分析 凝结水泵主轴实测化学成分和 ＧＢ／ Ｔ ３０７７－１９９９ ①收稿日期 ２０１４－１２－２１ 作者简介 彭碧草（１９８２－），男，湖南湘乡人，博士，工程师，主要从事火力发电金属监督及失效分析方面的工作。 第 ３５ 卷第 ３ 期 ２０１５ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３５ №３ Ｊｕｎｅ ２０１５ 合金结构钢［３］关于 ４０ＣｒＮｉＭｏ 的要求如表 １ 所示。 由 表 １ 可知，凝结水泵主轴实测化学成分符合标准要求。 表 １ 凝结水泵主轴的元素含量（质量分数） ／ ％ 项目ＣＳＰＳｉＭｎＣｒＮｉＭｏ 标准 ０．３７～ ０．４４ ≤０．０１５ ≤０．０２５ ０．１７～ ０．３７ ０．５０～ ０．８０ ０．６０～ ０．９０ １．２５～ １．６５ ０．１５～ ０．２５ 试样０．４３０．０１４０．０１３０．２８０．６３０．７０１．３７０．１８ ２．３ 力学性能 ２．３．１ 拉伸性能 ＧＢ／ Ｔ ３０７７－１９９９ 合金结构钢关于 ４０ＣｒＮｉＭｏ 的室温拉伸力学性能要求抗拉强度不小于 ９８０ ＭＰａ，下屈服强度不小于 ８３５ ＭＰａ，延伸率不低于 １２％。 大轴实测拉伸结果如表 ２ 所示。 从表 ２ 可知， 大轴的抗拉强度和下屈服强度均低于标准要求。 表 ２ 凝结水泵主轴室温拉伸性能 编号 截面尺寸 ／ ｍｍ 抗拉强度 ／ ＭＰａ 下屈服强度 ／ ＭＰａ 断裂总伸长率 ／ ％ １１０．０１８９３６４８１５．２ ２９．９８９２６６６３１６．０ ３１０．０２８８５６４５１９．６ 标准≥９８０≥８３５≥１２ ２．３．２ 冲击性能 ＧＢ／ Ｔ ３０７７－１９９９ 合金结构钢要求 ４０ＣｒＮｉＭｏ 的冲击功不小于 ７８ Ｊ，实测 ３ 个 Ｕ 型缺口的 冲击功分别为 ９９．６，１１１．８ 和 １０７．２ Ｊ，这说明凝结水泵 主轴的冲击韧性符合标准要求。 ２．４ 金相显微组织 在距大轴表面 ５４ ｍｍ 处纵向取样（大轴直径为 １０８ ｍｍ），观察纵向金相组织，发现其组织为回火索氏 体和铁素体，如图 ２ 所示。 图中有明显的黑色条带出 现，由此判断该轴成分偏析严重。 带状组织和铁素体 的出现降低了材料的抗拉强度和屈服强度［４］，这与力 学性能试验结果吻合。 ４０ＣｒＮｉＭｏ 中添加 Ｃｒ、Ｎｉ 和 Ｍｏ 元素可以减慢奥氏体分解转变的速度，即 Ｃ 曲线右 移，提高了钢材的淬透性［５］，是一种使用广泛的成熟 图 ２ 凝结水泵主轴纵向金相组织 的调质钢种，经调质处理后很容易得到理想的回火组 织，但有实验表明［６］，偏析的存在促成了带状组织的 形成，从而通过常规热处理不能得到均匀的回火索氏 体组织。 ２．５ 扫描电镜分析 对图 １ 中 １ 区断面进行扫描电镜分析（见图 ３）， 裂纹源位于大轴近表面位置。 在裂纹萌生阶段，裂纹 扩展受到较大的阻碍作用，扩展十分缓慢，由于疲劳裂 纹两边的表面在循环应力作用下时而分开时而压紧， 相当于一个研磨的过程，因此便出现疲劳源附近表面 非常光滑的现象，并且越靠近疲劳源越光滑，如图 ３ （ａ）所示。 金属疲劳一般起源于材料的冶金缺陷，如 表面加工缺陷，沟槽，缺口或近表面夹杂、夹渣和显微 缩孔［７］。 将裂纹源放大后发现该裂纹源属于缩孔，如 图 ３（ｂ），孔内壁粘附的白色物质为断裂后断口污染 所致。 图 ３ １ 区断面扫描电镜分析 （ａ） 凝结水泵主轴裂纹源； （ｂ） 裂纹源 ３ 断裂原因分析及预防措施 ３．１ 断裂原因分析 凝结水泵主轴的原材料中存在严重的成分偏析和 缩孔现象。 成分偏析容易产生带状组织，而带状组织 不能通过简单的热处理工艺消除，在水泵主轴成型后， 大轴未增加消除带状组织的热处理工艺，直接采用常 规的淬火＋高温回火工艺，使带状组织遗留下来，造成 索氏体和铁素体非均匀分布，进而影响到材料的抗拉 强度和屈服强度，降低了材料的力学性能。 缩孔成为 了水泵长期高周运转过程中理想的疲劳源，裂纹首先 在缩孔附近滋生，最终在周向应力的连续作用下发生 疲劳断裂。 ３．２ 预防措施 主轴断裂主要是原材料的原因，对同批次采购的 轴进行了全面的表面无损检测工作，对存在表面缺陷 的轴及时更换；运行过程中严格执行相应运行规程，避 免大轴过度疲劳；加强同类轴的监督检查工作，要杜绝 成型工件中带状组织的存在。 ９３１第 ３ 期彭碧草等 凝结水泵主轴断裂分析 ４ 结 论 １） 凝结水泵主轴的原材料中存在严重的成分偏 析，导致主轴的力学性能下降。 ２） 主轴的原材料中存在缩孔，水泵长期运行过程 中缩孔成为疲劳源，裂纹在缩孔附近滋生，最终在周向 应力的连续作用下发生疲劳断裂。 参考文献 ［１］ 刘锡光． 曲轴早期疲劳断裂［Ｊ］． 矿冶工程，１９８６，６（４）５５－５９． ［２］ 彭碧草，沈丁杰，唐远富，等． １７ＣｒＮｉＭｏ６ 钢齿轮断裂原因分析 ［Ｊ］． 矿冶工程，２０１３，３３（６）１０１－１０６． ［３］ 全国钢标准化技术委员会． ＧＢ／ Ｔ ３０７７－１９９９ 合金结构钢［Ｓ］． 北 京中国标准出版社，２０００． ［４］ 陈国辉，张小聪，余荣杰． 带状偏析对 ４０ＣｒＮｉＭｏ 钢组织和性能的 影响［Ｊ］． 热加工工艺，２０１２，４１（８）１６－１８． ［５］ 谢希文，胡光立． 钢的热处理（原理与工艺）［Ｍ］． 西安西北工业 大学出版社，２０１２． ［６］ 陈松林，李少坡，王彦峰． 加热工艺对板坯中心元素偏析的影响研 究［Ｃ］∥２００８ 年全国轧钢生产技术会议文集，２００８８１６－８２１． ［７］ 姜锡山，赵 晗． 钢铁显微断口速查手册［Ｍ］． 北京机械工业出 版社，２０１０． 􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎 （上接第 １３７ 页） 跟测试环境有很大关系，环境温度、湿度以及空气中 ＣＯ２对 ｐＨ 值的测试结果影响相当大。 ３ 结 论 将化学计量比的前驱体 Ｎｉ０．３５Ｍｎ０．６５（ ＯＨ）２与 Ｌｉ２ＣＯ３混合得到均匀造粒料，采用不同高温段温度烧 结合成了 Ｌｉ１．３５Ｎｉ０．３５Ｍｎ０．６５Ｏ２＋ｙ系列富锂锰基正极材料， 通过 ＸＲＤ、ＳＥＭ、电性化学能测试及一些常规测试手 段进行表征，结果表明当烧结温度为 １ ０１０ ℃时，正 极材料 Ｌｉ１．３５Ｎｉ０．３５Ｍｎ０．６５Ｏ２＋ｙ的有序性较好，１２．５ ｍＡ／ ｇ 的充放电电流密度下进行电性能测试，在 ２～４．８ Ｖ 之 间，初始放电比容量在１９８．０ ｍＡｈ／ ｇ，首次效率为６９．７％。 参考文献 ［１］ Ｍｉｃｈａｅｌ Ｍ． Ｔｈａｃｋｅｒａｙ， Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｗｏｌｖｅｒｔｏｎ，Ｅｒｉｃ Ｄ． Ｉｓａａｃｓ． Ｅｌｅｃ⁃ ｔｒｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ， ａｎｄ ｇｏｉｎｇ ｂｅｙｏｎｄ， ｌｉｔｈｉｕｍ⁃ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ［Ｊ］． Ｅｎｅｒｇｙ ＆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉ⁃ ｅｎｃｅ，２０１２（５）７８５４－７８６３． ［２］ Ｗａｎｇ Ｑ Ｙ， Ｌｉｕ Ｊ， Ｖａｄｉｖｅｌ Ｍｕｒｕｇａｎ Ａ， ｅｔ ａｌ． Ｈｉｇｈ ｃａｐａｃｉｔｙ ｄｏｕｂｌｅ⁃ ｌａｙｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｌｉ［Ｌｉ０．２Ｍｎ０．５４Ｎｉ０．１３Ｃｏ０．１３］Ｏ２ｃａｔｈｏｄｅ ｗｉｔｈ ｉｍ⁃ ｐｒｏｖｅｄ ｒａｔｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００９，１９ （２８）４９６５－４９７３． ［３］ Ｖａｎ Ｂｏｍｍｅｌ Ａ， Ｄａｈｎ Ｊ Ｒ． Ｋｉｎｅｔｉｃｓ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｉｇｈ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｒａｎｇｅ ｏｆ Ｌｉｔｈｉｕｍ⁃Ｒｉｃｈ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ⁃Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅｓ ｆｏｒ Ｌｉｔｈｉｕｍ⁃Ｉｏｎ Ｂａｔ⁃ ｔｅｒｉｅｓ ｂｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｓｏｌｉｄ⁃Ｓｔａｔｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２０１０，１３（５）Ａ６２－Ａ６４． ［４］ Ｔｈａｃｋｅｒａｙ Ｍ Ｍ， Ｋａｎｇ Ｓ Ｈ， Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｃ Ｓ， ｅｔ ａｌ． Ｌｉ２ＭｎＯ３ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ＬｉＭＯ２（Ｍ＝Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｏ） ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ ｌｉｔｈｉｕｍ⁃ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒ⁃ ｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， ２００７，１７（３０）３１１２－３１２５． ［５］ Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ Ａ Ｒ， Ｈｏｌｚａｐｆｅｌ Ｍ， Ｎｏｖｋ Ｐ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｎｇ ｏｘｙｇｅｎ ｌｏｓｓ ａｎｄ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ ｃａｔｈｏｄｅ Ｌｉ［Ｎｉ０．２Ｌｉ０．２Ｍｎ０．６］Ｏ２［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉ⁃ ｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００６，１２８（２６）８６９４－８６９８． ［６］ Ｊｉａｎｇ Ｍ， Ｋｅｙ Ｂ， Ｍｅｎｇ Ｙ Ｓ， ｅｔ ａｌ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｌａｙｅｒｅｄ， “Ｌｉ⁃Ｅｘｃｅｓｓ” Ｌｉｔｈｉｕｍ⁃Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｍａｔｅ⁃ ｒｉａｌ Ｌｉ［Ｌｉ１／ ９Ｎｉ１／ ３Ｍｎ５／ ９］Ｏ２． Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２００９，２１（１３） ２７３３－２７４５． ［７］ 郑建明，吴晓彪， 杨 勇． 富锂正极材料 Ｌｉ ［ Ｌｉ０．２Ｎｉ０．１３Ｃｏ０．１３ Ｍｎ０．５４］Ｏ２的合成优化及表征［Ｊ］． 电源技术， ２０１１，３５（１０）１１８８ －１１９２． ［８］ Ｍａｒｏｍ Ｒ， Ａｍａｌｒａｊ Ｓ Ｆ， Ｌｅｉｆｅｒ Ｎ， ｅｔ ａｌ． Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， ２０１１，２１９９３８－９９５４． ［９］ Ｚｈｅｎｇ Ｌｉａｎｇ Ｇｏｎｇ， Ｈａｎ Ｓａｎ Ｌｉｕ， Ｘｉａｏ Ｊｉａｎ Ｇｕｏ， ｅｔ ａｌ． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｒｅｐ⁃ ａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．２Ｏ２ｃａｔｈｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ ｔｈｅｉｒ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ， ２００４， １３６（１）１３９－１４４． ０４１矿 冶 工 程第 ３５ 卷