船用艉軸為軸系的Z后端，其尾部與螺旋槳連接，用于傳遞扭矩和承受推力。某漁輪在海上行駛5a（年）左右，艉軸突然斷裂，其材料為35鋼，直徑為290mm，長(zhǎng)度為4420mm，質(zhì)量為2491kg，鍛造成型后經(jīng)正火＋回火處理。為查明該船用艉軸斷裂原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。
　　理化檢驗(yàn)
　　1　宏觀分析 　　艉軸剛斷裂時(shí)的形貌如圖1所示，可見(jiàn)艉軸外部包有合金鋼軸套，經(jīng)檢查合金鋼軸套外表面基本無(wú)銹蝕，其與艉軸外緣接觸處腐蝕嚴(yán)重。艉軸斷裂面中部（圖1中B處）表面凹凸不平，有金屬光澤，未見(jiàn)被氧化的跡象；其余斷裂面（圖1中A處）的表面較平整光滑，沒(méi)有金屬光澤，存在被氧化的跡象。 　　為方便取出艉軸，在其斷口上焊接一吊耳，如圖2所示。斷口宏觀形貌顯示：該艉軸斷口部分區(qū)域有較光滑平坦的裂紋擴(kuò)展區(qū)，可以觀察到貝紋線（圖2中a區(qū)域）；斷口大部分區(qū)域?yàn)檩^粗糙的瞬斷區(qū)。根據(jù)斷口宏觀形貌特征可以確定，該艉軸斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂；根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律可以確定，疲勞裂紋源位于圖2中的a區(qū)域。
　　2　化學(xué)成分分析
　　使用德國(guó)Bruker公司Q8 MAGELLAN 直讀光譜分析儀對(duì)斷裂艉軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。 　　結(jié)果表明，該艉軸材料的化學(xué)成分滿足中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》（2006）和GB/T 699－2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》技術(shù)要求。經(jīng)計(jì)算，該艉軸材料的碳當(dāng)量為0.52％。
　　3　化學(xué)性能試驗(yàn)
　　在斷裂艉軸1/4處取縱向拉伸試樣和沖擊試樣，分別進(jìn)行室溫拉伸和夏比沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。 　　可見(jiàn)斷裂艉軸的各項(xiàng)力學(xué)性能也符合中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》（2006）和GB/T 699－2015的技術(shù)要求。
　　4　金相檢驗(yàn)
　　在艉軸斷口邊緣處（a區(qū)域）取樣，磨制金相試樣后采用蔡司Imager.M2M金相顯微鏡進(jìn)行金相分析。觀察發(fā)現(xiàn)有大量裂紋，裂紋均從艉軸外緣向軸心擴(kuò)展，且前端較尖銳，尾部較鈍，Z大裂紋尺寸約2.5mm，裂紋內(nèi)部有淺灰色的氧化物，見(jiàn)圖3~4。 　　艉軸顯微組織為鐵素體＋珠光體，裂紋兩側(cè)未見(jiàn)明顯脫碳，見(jiàn)圖5~6。 　　5　斷口形貌及微區(qū)成分分析
　　采用蔡司Sigma場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）對(duì)艉軸斷口形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該艉軸腐蝕層表面有大量微觀裂紋，見(jiàn)圖7。 　　采用牛津INCA250 能譜儀（EDS）對(duì)斷口表面腐蝕產(chǎn)物（圖7）及裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物（圖8）進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖9。 　　可見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物中除鐵主峰線外，還可見(jiàn)氧、氯等峰線，表明腐蝕產(chǎn)物主要為含氯、氧的化合物。
　　綜合分析
　　由化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該斷裂艉軸的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》（2006）和GB/T 699－2015技術(shù)要求，可排除材料因素引起艉軸斷裂的可能。
　　由金相檢驗(yàn)結(jié)果可以看出：艉軸顯微組織為鐵素體＋珠光體，組織正常，未見(jiàn)異常正火態(tài)組織，可排除熱處理因素引起艉軸斷裂的可能。艉軸邊緣處有大量裂紋，且裂紋兩側(cè)無(wú)明顯脫碳，說(shuō)明裂紋是在使用過(guò)程中逐漸產(chǎn)生并擴(kuò)展的。
　　根據(jù)斷口宏觀形貌分析結(jié)果可以確定，該尾軸斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂；根據(jù)邊緣裂紋形貌分析和腐蝕產(chǎn)物成分分析結(jié)果可確定，艉軸發(fā)生了電偶腐蝕；由此可推斷艉軸斷裂為電偶腐蝕疲勞所致。
　　由于軸套材料為合金鋼，艉軸材料為碳鋼，兩者具有不同的電位，當(dāng)兩者組合浸入海水（海水為電解質(zhì)）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電池效應(yīng)，發(fā)生電偶腐蝕，在兩金屬接觸邊緣區(qū)域，電位較低的35碳鋼快速腐蝕，而電位較高的合金鋼軸套則減緩腐蝕。電偶腐蝕一旦產(chǎn)生，各區(qū)域在一定的條件下會(huì)發(fā)生不同模式的腐蝕，有金屬全面腐蝕，有點(diǎn)腐蝕（深入后成為微裂紋）。
　　艉軸在服役狀態(tài)下，所承受的交變應(yīng)力會(huì)加速微裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)艉軸剩余截面所承受的應(yīng)力大于材料本身的強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生斷裂失效。
　　結(jié)語(yǔ)及建議
　　該船用艉軸斷裂為電偶腐蝕疲勞所致。采用大陽(yáng)極、小陰極，或者對(duì)于不同電位的金屬連接件進(jìn)行一定的防護(hù)處理，可減少此類事件的發(fā)生。
　　選自：《理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)》 Vol.54 2018.10
　　作者：侯帥帥，工程師，青島市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院