摘 要:某304不銹鋼編碼器小軸在服役時發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測 試、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法,對該編碼器小軸斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:該 編碼器小軸斷裂位置位于連接桿一側(cè)的焊接熱影響區(qū);編碼器連接桿一側(cè)母材的碳元素含量偏高, 組織中存在大量長條狀非金屬夾雜物,導(dǎo)致其力學(xué)性能較差,在較大的外力沖擊作用下,該編碼器 小軸發(fā)生了脆性斷裂。

關(guān)鍵詞:304不銹鋼;編碼器小軸;焊接;夾雜物;斷裂

中圖分類號:TB31;TH142.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)01-0047-04

304不銹鋼的常溫下顯微組織為穩(wěn)定奧氏體, 具有良好的韌性、塑性和耐腐蝕性能,在核電、風(fēng)電、 石油化工、機械設(shè)備等行業(yè)應(yīng)用廣泛。奧氏體不銹 鋼的熱膨脹系數(shù)較大,且冷卻時收縮應(yīng)力大,容易在 焊縫處產(chǎn)生熱裂紋[1]。某編碼器小軸的材料為304 不銹鋼,主要加工工藝為焊接,焊接方式為手工電弧 焊,焊條牌號為 A137焊條。該編碼器小軸安裝在 風(fēng)電機組的機艙內(nèi)部,與風(fēng)電主軸連接,服役環(huán)境為 大氣環(huán)境。在服役數(shù)月后,該編碼器小軸發(fā)生斷裂, 筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相 檢驗、掃描電鏡(SEM)及能譜(EDS)分析等方法, 分析了該編碼器小軸斷裂的原因,以避免該類問題 再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對斷裂的編碼器小軸進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖 1所示。由圖1可知:該編碼器小軸和底座由3根 連接桿通過焊接方式連接,3根連接桿和中間小軸 的連接處均發(fā)生斷裂,斷口均位于編碼器小軸和連 接桿的焊接連接區(qū)域;3根連接桿斷裂后均有明顯 的橫向位移,其中1# 連接桿橫向位移最明顯,橫向 位移達(dá)到12mm;連接桿外側(cè)靠近斷裂位置附近可 見明顯的外力撞擊變形,變形部位呈明顯的金屬光 澤,與其他區(qū)域色澤差異顯著;連接桿斷口表面色澤 灰暗、凹凸不平,表面已被明顯破壞,大部分區(qū)域較為光滑,部分區(qū)域斷口粗糙,斷口附近無其他裂紋及 二次裂紋,判斷該斷裂表面光滑形貌為編碼器小軸 在斷裂后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中,受到相互擠壓和摩擦的 作用所致。

將編碼器小軸與連接桿焊接斷裂位置沿縱向切 開,經(jīng)磨拋和10%(體積分?jǐn)?shù))草酸溶液電解腐蝕后 觀察焊接區(qū)域的宏觀形貌,發(fā)現(xiàn)焊接成形良好,未發(fā) 現(xiàn)明顯的氣孔、夾雜等焊接缺陷,除了斷裂面外未發(fā) 現(xiàn)有向基體延伸的裂紋(見圖2)。

1.2 化學(xué)成分分析

按照GB/T11170—2008《不銹鋼多元素含量 的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》,在斷 裂編碼 器 連 接 桿 和 小 軸 處 分 別 截 取 試 樣,采 用 ARL4460型直讀光譜儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié) 果如表1所示。由表1可知:連接桿中的碳元素含 量超出GB/T20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號 及化 學(xué) 成 分》對 304 不 銹 鋼 的 要 求,鉻 元 素 含 量低于 GB/T20878—2007的要求,其余各元素含量均符合 GB/T20878—2007的要求;小軸的化學(xué) 成分符合GB/T20878—2007的要求[2]。

1.3 硬度測試

沿斷裂編碼器小軸和連接桿焊接部位的縱向剖 面截取試樣,并對其進(jìn)行硬度測試,結(jié)果如表2所 示,可見連接桿一側(cè)母材和熱影響區(qū)的硬度明顯偏 高,遠(yuǎn)高于技術(shù)規(guī)范的要求(≤200HV)。

1.4 SEM 及EDS分析

將編碼器小軸在斷口附近沿橫向切開后,經(jīng)汽 油+丙酮清洗后,用SEM 進(jìn)行觀察,可見斷口中心 部位表面光滑平整,斷裂特征已被破壞且無法分辨 (見圖3),分析認(rèn)為是編碼器小軸旋轉(zhuǎn)工作過程中 裂紋反復(fù)張開閉合,裂紋斷口表面不斷受擠壓摩擦 所致。斷口邊緣部位比較粗糙,呈明顯的撕裂特征 (見圖4),分析認(rèn)為是編碼器小軸裂紋擴展到一定 程度,有效截面積承受力超過強度極限后,發(fā)生快速 斷裂所致。

用EDS對斷口中心部位及邊緣部位分別進(jìn)行 分析,結(jié)果如表3所示。由表3可知:斷口中心的鉻 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 18%,鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 7%~7.5%;斷口表面的碳、氧、氮等元素含量較高, 判斷為斷裂后表面形成氧化物所致,其他元素種類 及含量與304不銹鋼無明顯差異[3]。

1.5 金相檢驗

將編碼器小軸在斷口附近沿縱向切開后,經(jīng)磨 拋、侵蝕后用光學(xué)顯微鏡對其進(jìn)行觀察,其非金屬夾 雜物的微觀形貌如圖5所示。由圖5可知:連接桿一側(cè)母材有明顯長條狀硫化物夾雜,部分長條狀夾 雜物長度大于500μm;小軸一側(cè)母材未發(fā)現(xiàn)明顯有 害夾雜物。按照 GB/T10561—2005《鋼中非金屬 夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微鏡檢驗法》中的 A法進(jìn)行評定,連接桿一側(cè)母材夾雜物評級結(jié)果為, A類夾雜物等級為2.5級,B類夾雜物等級為0.5 級,C類夾雜物等級為0級,D類夾雜物等級為0.5 級。小軸一側(cè)母材夾雜物的評級結(jié)果為,A 類夾雜 物等級為0.5級,B類夾雜物等級為0級,C類夾雜 物等級為0級,D類夾雜物等級為0.5級。

按照 GB/T13298—2015《金屬顯微組織檢驗 方法》,沿編碼器小軸斷口附近縱向切開后,經(jīng)磨拋 及10%(體積分?jǐn)?shù))的草酸溶液電解侵蝕后,進(jìn)行金 相檢驗,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:試樣呈明顯 的焊接顯微組織特征,連接桿一側(cè)母材的組織為奧 氏體+條帶狀鐵素體,并可見明顯的軋制流線,為較 差的非等軸狀組織;小軸一側(cè)母材的組織為等軸奧 氏體;焊縫組織主要為奧氏體+鐵素體,呈枝晶狀分 布,焊縫組織正常,成形良好,未發(fā)現(xiàn)明顯的未焊透、 氣孔等焊接缺陷;熱影響區(qū)的晶粒尺寸比遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的晶粒尺寸大,這是因為焊接時熱影響區(qū) 的溫度較高,晶粒容易長大。

2 綜合分析

304奧氏體不銹鋼具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)和較高 的線膨脹系數(shù),在進(jìn)行焊接時,焊接接頭會受到不均 勻的加熱和冷卻,使焊縫區(qū)域產(chǎn)生較大溫差,焊接時 母材會對焊接件產(chǎn)生剛性約束作用,加熱時焊接區(qū) 域不能自由膨脹,冷卻時焊接區(qū)域不能自由收縮,導(dǎo) 致焊接件在焊后產(chǎn)生變形和較大的焊接殘余應(yīng) 力[4]。在焊接完成后,奧氏體不銹鋼的焊縫中心和 熱影響區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力,遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力[5]。 奧氏體不銹鋼的液相線與固相線距離較大,共晶時 間較長,焊接結(jié)晶過程中的枝晶方向性較強,偏析現(xiàn) 象比較嚴(yán)重,焊接區(qū)域附近容易脆化,韌性較差[6-8]。

該斷裂編碼器小軸連接桿中碳元素的含量偏 高,導(dǎo)致材料的強度和硬度偏高,韌性和焊接性能偏 低。編碼器小軸連接桿材料中夾雜物的含量較高, 存在長條狀硫化物夾雜。材料的純凈度較差,雜質(zhì) 含量較高,在焊接時產(chǎn)生雜質(zhì)偏析,形成低熔點共晶 體,并在晶界處析出,進(jìn)一步降低了材料的韌性。較 大的焊接殘余應(yīng)力、母材較高的碳元素含量和較差 的材料純凈度導(dǎo)致焊接區(qū)域材料的韌性較差,當(dāng)服 役過程中受到較大的外力沖擊作用時,編碼器小軸 發(fā)生了脆性斷裂。

3 結(jié)論及建議

(1)編碼器小軸斷裂的原因是:焊接區(qū)域存在 較大的焊接殘余應(yīng)力,連接桿一側(cè)母材的碳元素含 量較高及材料純凈度較差,導(dǎo)致焊接區(qū)域材料的韌 性較差,當(dāng)編碼器小軸服役過程中受到較大的外力 沖擊作用時,編碼器小軸發(fā)生了脆性斷裂。

(2)建議把好原材料質(zhì)量關(guān),選擇成分合格、純 凈度高的304不銹鋼材料;焊接時控制焊接參數(shù),焊 后進(jìn)行整體熱處理以消除焊接殘余應(yīng)力;做好編碼 器小軸的防護,防止受到外力的撞擊。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 1期 (pp:47-50)>