船（chuán）用艉軸為軸係的Z後端，其尾部與螺旋槳連接，用於傳（chuán）遞扭（niǔ）矩（jǔ）和承（chéng）受推力。某漁輪在海上行駛5a（年）左右，艉軸突然斷裂，其材（cái）料為35鋼，直徑為290mm，長度為4420mm，質量為2491kg，鍛造成型後經正火（huǒ）＋回火（huǒ）處理（lǐ）。為查（chá）明該（gāi）船用艉軸斷裂原因，筆者對其進行了檢驗和分析。
理化檢驗
1 宏觀分析
艉軸剛斷裂時的形貌如圖1所示，可見艉軸外部包有合金鋼軸套，經檢查合金鋼軸（zhóu）套外表麵基本無鏽蝕（shí），其與艉軸外緣（yuán）接觸處腐蝕嚴重。艉軸斷裂麵中部（圖1中B處）表麵凹凸不平，有（yǒu）金屬光澤，未（wèi）見被氧化的跡象；其餘斷裂麵（圖1中A處）的表麵較平整（zhěng）光滑，沒有金屬光澤，存在被（bèi）氧（yǎng）化的跡象。
為方便取出艉軸（zhóu），在其斷口上焊接一吊耳，如圖2所示。斷口宏觀形貌顯示（shì）：該艉（wěi）軸（zhóu）斷口部分（fèn）區（qū）域有較光滑平坦的裂紋擴展區，可以觀察到貝紋線（圖2中a區域）；斷口大部分區域為較粗糙的瞬斷區。根據斷口宏觀形貌特征可以確定，該艉軸斷裂性質為疲勞斷裂；根據疲（pí）勞裂紋擴展規律可以確定，疲勞裂紋源位（wèi）於圖2中的a區域。
2 化學成分分析
使用（yòng）德國Bruker公司Q8 MAGELLAN 直讀光譜分析（xī）儀對斷裂艉（wěi）軸進行化學成分分析，結果見表1。
表1 艉軸的化學成分（質量分數）
結果表明，該艉（wěi）軸（zhóu）材料的化學（xué）成分滿足中國船級社《材料與焊接規範》（2006）和GB/T 699－2015《優質碳素結構鋼》技（jì）術（shù）要求。經計算，該艉軸材料的碳當（dāng）量為0.52％。
3 化學（xué）性能試驗
在（zài）斷裂艉軸1/4處取縱向拉伸試樣和衝擊（jī）試樣，分別進行（háng）室（shì）溫拉伸和夏比衝擊（jī）試驗，結（jié）果見表2。
表2 艉軸的力學性能
可（kě）見斷裂艉軸的各項力學性能也符合（hé）中國船級社《材料與焊接規範》（2006）和GB/T 699－2015的技術要（yào）求。
4 金相檢驗
在艉軸斷口邊緣處（a區域）取樣，磨（mó）製金相試樣後采用蔡司（sī）Imager.M2M金相顯微鏡（jìng）進行金相分析。觀察發現有大量裂紋，裂紋均從艉軸外緣向軸心擴展，且（qiě）前端較尖銳，尾（wěi）部較（jiào）鈍，Z大裂紋尺寸約2.5mm，裂紋內（nèi）部有淺灰色的氧化物，見圖3~4。
艉軸顯微組織（zhī）為鐵素體＋珠光（guāng）體，裂紋兩側未見明顯脫碳（tàn），見圖5~6。
5 斷口形貌及微（wēi）區（qū）成分分析
采用蔡司Sigma場發射掃（sǎo）描（miáo）電鏡（SEM）對艉軸斷口形貌進（jìn）行觀察，發現該艉軸腐蝕層表麵有大量微（wēi）觀裂紋，見圖7。
采用（yòng）牛津INCA250 能譜儀（yí）（EDS）對斷口表麵腐蝕產物（圖7）及裂紋（wén）內腐蝕產物（圖8）進行（háng）能譜分析，結果（guǒ）見圖9。
可見腐蝕（shí）產物中除鐵主峰線外，還可見氧、氯等峰線，表明腐蝕產物主要為（wéi）含氯、氧的化合物。
綜（zōng）合分析
由（yóu）化學成分分析、力學性能（néng）試驗結果可以看出，該斷裂艉軸的化學成分、力學性能均符合中國船級社《材料與焊接規範》（2006）和GB/T 699－2015技術要（yào）求，可排除材料因素（sù）引起艉軸斷裂的可能。
由金相檢驗結果可以看出：艉軸顯微組織為鐵素體＋珠光體，組織正常，未見（jiàn）異常正火態組織，可排除熱處理因素引起艉軸（zhóu）斷裂的（de）可能。艉軸（zhóu）邊緣（yuán）處有大量裂紋（wén），且裂紋兩側無明顯脫碳，說明裂紋是在使用過（guò）程中逐漸產生並擴展的。
根據斷口宏觀形貌分析結果可以（yǐ）確定，該尾軸斷裂性質為疲勞斷裂；根據邊緣（yuán）裂紋形貌分析和腐蝕產物成分分析結果可確定，艉軸發生了電（diàn）偶腐蝕；由此可推斷艉軸（zhóu）斷裂為電偶腐蝕疲勞所致。
由於軸套材料為合金鋼，艉軸材料為碳鋼，兩者具有不同的（de）電位，當兩者組合浸（jìn）入（rù）海水（海水為電解質（zhì））時，會產生電池效應，發生電偶腐（fǔ）蝕（shí），在兩金屬接（jiē）觸邊緣區（qū）域，電位（wèi）較低的35碳（tàn）鋼快速腐蝕，而電位較高的合金鋼（gāng）軸套則減緩腐蝕。電偶腐蝕一旦產生，各區域在（zài）一定的條（tiáo）件下會發生（shēng）不同模式的腐蝕，有金屬全麵腐蝕，有點（diǎn）腐蝕（深入後（hòu）成為微裂紋）。
艉軸在服役狀態下，所承受的交變應（yīng）力會加（jiā）速微裂紋的擴展，當艉軸剩餘截麵所承受（shòu）的應力大於材料（liào）本身的強度時，便會發生斷裂失（shī）效。
結語及建議
該船用艉軸斷裂為電偶（ǒu）腐蝕（shí）疲勞所（suǒ）致。采用大陽極、小陰極，或者對於（yú）不同電位的金屬連接件進行（háng）一定的防護處理，可減（jiǎn）少此類事件的發（fā）生（shēng）。
選自：《理化檢（jiǎn）驗—物理（lǐ）分冊》 Vol.54 2018.10
作者：侯帥帥，工程師（shī），青島市產品質量監督檢驗研究（jiū）院
