失效分析案例

1、离心泵主轴失效分析案例离心泵主轴失效分析案例Failure Analysis of a Motor Spindle : A Case StudyFailure Analysis of a Motor Spindle : A Case Study机硕151 魏巍 Y30150559失效分析的过程 失效分析 现象 原因1 工况调查该离心泵位于石化常减压装置管路中，泵轴前轴承轴肩退刀槽处发生断裂，针对此情况进行失效分析。该泵是沈阳格瑞泵业有限公司生产的离心泵，型号为100AY120，其设计参数如表所示。该泵主轴材质为3Cr13，泵主轴全图如图1-1，其中A处为泵轴断裂部位。在整套常减压装置运行过程中

2、，减二中泵P208/2作为减一中泵P208/1和减二中泵P209的公共备泵，泵轴在工作过程中承受交变弯曲载荷作用。电机设计参数泵型号泵型号100AY120转速转速(r/min)2950材料材料出厂编号出厂编号11312介质减二中油材料代号S-6流量流量(m3/h)92轴功率(KW)30.4壳体Zzg230-450扬程扬程(m)110润滑方式喷雾润滑叶轮ZG1Cr13Ni效率效率(%)50传动方式柔性膜片式联轴器叶轮口环3Cr13轴电机电机功率(KW)55机械密封型号L65-60G/TD-T0R94/3喉部衬套1Cr13MoS型号YBXn250M-2W壳体口环现场图片主轴结构还原泵轴断裂处A2

3、断口分析对失效的离心泵主轴进行观察：泵主轴断裂成两部分，在此将断裂后较短的一端称为短轴部分，另一部分为长轴部分。泵轴的断裂位置为短轴轴承轴肩退刀槽处。由此可以判断造成轴失效的可能原因是：（1）离心泵主轴材质存在缺陷；（2）泵轴力学性能不合格；（3）短轴轴承轴肩处有台阶（阶梯轴）且存在退刀槽，设计加工不合理。断口形貌短轴断口长轴断口由于泵轴断裂后未立刻停运，离心泵轴的两端面相互摩擦、挤压，短轴断口全部被磨平，无法判别宏观断口形貌，长轴断口大部份被磨平，仅保存一部分断口形貌。SEM扫描结果A 被磨平的断口利用SEM扫描电镜对断口进行微观分析，其截面A处断口微观下断面扫描结果如图3-2所示。通过对不

4、同倍率下的扫描结果发现：图(a)中可看到明显的小裂纹，说明泵轴材料内部可能存在缺陷，或断面两端面相互摩擦、挤压后也可能出现裂纹。仅从图(a)无法判断小裂纹出现的原因；图(b)和图(c)中可明显看到断口微观形貌呈冰糖状，说明泵主轴发生了沿晶脆性断裂；图(d)中可看到粗大晶粒，通过Shepherd断口晶粒度测量法，断口晶粒度等级约为3级，正常晶粒度约为6级，晶粒明显偏大。小裂纹粗 大 晶粒4 材料成分 该离心泵轴的材质为3Cr13，对断裂后的泵轴进行切割。通过表4中数据对比发现：失效泵轴化学成分均符合GB/T1220-2007不锈钢棒标准中对3Cr13成分的规定。元素元素CSiMnPSNiCr1#

5、0.2890.560.530.0210.00780.16113.112#0.2840.550.530.0210.00930.15513.133#0.3070.560.530.0240.00850.17013.13平均值平均值0.2930.560.530.0220.00850.16213.12GB/T 12200.260.351.001.000.0400.0300.6012.0014.005 金相分析 材质为3Cr13轴类零件推荐热处理工艺1,2为10001050淬火，640670回火，调质后组织为保留马氏体位向的回火索氏体1#位置放大倍数为100、200和400是的金相2#位置不同放大倍数时的

6、金相3#位置不同放大倍数时的金相金相分析结果 通过对比发现：1#、2#、3#试样的金相组织为马氏体+沿奥氏体相析出的网状碳化物；1#、2#、3#试样中可以明显看到沿奥氏体相析出的网状碳化物，可能是淬火处理时加热温度过高或保温时间过长引起碳化物沿晶界析出和组织晶粒粗大，会降低材料的力学性能；1#、2#、3#试样中可以看到马氏体，与保留马氏体位向的回火索氏体不符，推断泵轴调质处理时回火温度偏低，该泵轴的热处理工艺可能存在问题。 对离心泵主轴断口附近进行取样，利用SEM扫描电镜对打磨后端面进行微观分析，观察到泵轴材质内部存在小裂纹，对裂纹内三处不同位置进行取样1#、2#、3#，分别对试样进行EDS能

7、谱分析小裂纹1#2#3#元素元素OAlSiCrNi1#23.8161.450.861.95-2#17.3751.300.954.290.553#5.6118.143.149.95-平均值平均值15.6043.631.655.400.18GB/T 1220-1.0012.0014.000.60泵轴微裂纹材质中Al和O含量严重偏高，分别为43.63%和15.60%，化学成不符合GB/T1220-2007不锈钢棒标准中对3Cr13成分的规定。推断裂纹内部物质为氧化铝，在泵轴断口附近材质内部可能存在裂纹缺陷，这可能是导致泵轴断裂的主要原因。6 力学性能测试 利用布氏硬度仪、MTS880万能液压试验机和

8、摆锤冲击试验机，对主轴的硬度、抗拉强度和抗冲击性能进行测量。 材料的力学性能要求材质材质b/MPas/MPa/%/%Ak/JHBW3Cr13940790165254254285编号编号1#2#3#4#平均值平均值标准硬度标准硬度布氏硬度（布氏硬度（HBW）532.0633.8618.7581.8591.6254285硬度编号编号b/MPas/MPa/%/%2#988.0836.114.339.13#986.1850.117.140.44#987.3833.816.040.2均值均值987.1840.015.839.9调质处理调质处理9407901652拉伸性能编号编号5#6#7#测量值测量值2

9、6.737.842.9平均值平均值35.8标准值标准值54冲击试验6 结论与建议 通过以上分析，可推断离心泵主轴断裂过程如下：泵轴材料内部存在小裂纹，且泵轴断裂位置为轴颈退刀槽处，轴台阶处尺寸突变，在交变弯曲应力作用下，加剧材料缺陷处应力集中，发生断裂失效。该离心泵轴的金相组织为马氏体+沿奥氏体相析出的网状碳化物，且断口晶粒粗大。与正常热处理工艺下组织不符，导致材料韧性偏低且硬度严重偏高，材质性能的下降进一步加快了断裂过程。该进料泵主轴断裂的主要原因是：泵轴材料内部小裂纹在交变弯曲应力作用下引起应力集中，轴颈退刀槽处截面发生突变，加剧材料缺陷处应力集中，而材质力学性能降低加快了轴的断裂过程。改进建议 1）泵轴断裂处为轴径突变的轴肩处，在满足