马氏体沉淀硬化钢转动轴断裂分析

　　某电厂转动轴在整套设备的较短运行时间内，轴承振动突然增大，解体检查发现转动轴键槽处断裂、近断口端轴承损坏。为查明转动轴断裂原因，防止同类事故发生，并制定切实可行的改进措施，对断裂转动轴进行系统的试验分析。此转动轴系马氏体沉淀硬化钢，经冶炼、热加工、沉淀硬化后制成。工作介质约为300℃的热水，转动轴在运行过程中承受交变的弯曲和旋转载荷作用。
　　
　　转动轴材料为17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb），直径90mm，为典型的马氏体沉淀硬化钢，固溶处理后的室温组织为马氏体。键的规格为10mm×16mm×150mm，材料为中碳结构45钢。采用放大镜对断口进行宏观检查，金相显微镜对转动轴和键进行组织分析，借助LEO-438-VP型扫描电子显微镜对断口裂源区、扩展区进行分析观察。转动轴及键材料的化学成分见下表：　　
        分析研究表明，由于材料的选择强度不匹配，键的硬度和强度远远低于转动轴。这样大的偏差很容易造成键损伤面而影响轴的运行情况，需要用等级较高的材料或热强钢制造键体。综合分析认为：转动轴键槽受到长时间挤压冲击，严重变形，说明键在工作过程中有轻微滑动和受到周向冲击，有偏载。断裂转动轴键槽底部钝边的多条裂纹呈周向剥落状开裂，该钝边正是转动轴旋转时通过键连接叶轮的受力边，是传递扭转的受力端。裂纹呈多源疲劳特征，说明使裂纹疲劳扩展的应力较大，沿周向扩展，但停留于表面附近。
　　
　　鳞状剥落是一种特殊现象，对使用弹性联轴器的轴系，在键传递扭矩过程中，当叶轮与轴之间是松配合时就会产生鳞剥。过松配合时，几乎所有的扭矩要靠键传递，使轴键槽处的周向应力显著增大，键槽底部边缘则是应力集中部位，附加的弯曲应力和冲击在键槽底部边缘形成多个疲劳源，并在反复冲击载荷作用下疲劳失效。此外，不稳定的运行工况也是导致断裂的一个因素。