船用艉軸為軸係的（de）Z後端，其尾部與螺旋槳連接，用於傳遞扭矩和承受推力（lì）。某（mǒu）漁輪在海上行駛5a(年)左右，艉軸突然斷（duàn）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（xíng）後經正火+回火（huǒ）處理。為查明該船用艉軸斷裂原因，對其進行（háng）了（le）檢驗和分析。

理化檢驗

　　宏觀分析

圖1 斷裂艉（wěi）軸宏觀形貌

　　艉軸剛斷（duàn）裂時的（de）形貌如圖1所示，可見艉軸外（wài）部包有合金鋼軸套，經檢查合（hé）金（jīn）鋼軸套外表麵基本無鏽蝕，其與（yǔ）艉軸外緣接觸處腐蝕嚴重。

　　艉軸斷裂麵中部(圖1中B處（chù）)表麵凹凸不平，有（yǒu）金屬光澤，未見被氧化的跡象；其（qí）餘斷裂麵(圖1中A處)的表麵較平整（zhěng）光滑，沒有金屬光澤（zé），存在（zài）被氧化的（de）跡象。

圖2 艉軸斷口宏觀形貌

　　為方（fāng）便取出艉軸（zhóu），在其斷口上焊接一吊耳，如圖2所（suǒ）示。斷口宏（hóng）觀（guān）形貌顯示：該艉軸斷口部分區域有較光滑平坦的裂紋擴展區（qū），可以觀察到貝紋線(圖2中（zhōng）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；根據疲勞裂（liè）紋（wén）擴展規律可以確定，疲（pí）勞裂紋源位於圖2中的a區域。

　　化（huà）學成分分析

表1 艉軸的化學成分(質量分數)

　　使用德國Bruker公（gōng）司Q8 MAGELLAN直讀光譜分析儀對斷裂艉軸進行化（huà）學成分分析，結果（guǒ）見表1。

　　結果（guǒ）表明，該艉軸材料的化學成（chéng）分滿足中國船級社«材料與焊接規範»(2006)和GB/T699-2015«優質碳素（sù）結構鋼»技（jì）術要求。經計算，該艉軸材料的碳當（dāng）量為0.52％。

力學性能試驗

表2 艉（wěi）軸的力學（xué）性能

　　在斷裂（liè）艉軸1/4處取縱向拉伸試樣和衝擊試樣，分別（bié）進行室（shì）溫拉伸和夏比衝擊試驗，結果見表2。

　　可見斷裂艉軸的各（gè）項力學（xué）性能也符（fú）合中國船級社«材料與焊接規範»(2006)和GB/T699-2015的技術要求。

　　金相檢驗

圖3 裂（liè）紋顯微形貌

　　在艉軸斷口邊（biān）緣（yuán）處(a區域)取樣，磨（mó）製金相試樣後采用蔡司Imager.M2M金相顯微（wēi）鏡進行金相分析。

圖4 裂紋內氧化物形貌（mào）

　　觀察發現有大量裂（liè）紋，裂紋均從艉軸外緣（yuán）向（xiàng）軸（zhóu）心擴展，且前端較尖（jiān）銳，尾部較鈍，Z大裂紋尺寸約2.5mm，裂紋內部有淺灰色的氧化物，見圖（tú）3~4。

圖5 裂紋處（chù）顯微組織形貌

圖6 基體顯微組（zǔ）織形貌

　　艉軸顯微組織（zhī）為鐵素體+珠光體，裂紋兩側未見明顯脫（tuō）碳，見（jiàn）圖5~6。

　　斷口形貌及微區成分（fèn）分析

圖7 艉軸斷口SEM形貌

圖8 裂紋內腐蝕產物SEM形貌

圖9 斷口表麵腐蝕產物EDS譜

　　采用蔡司Sigma場發（fā）射掃描電鏡(SEM)對艉軸斷口形貌進行觀察，發現該艉（wěi）軸腐蝕層表麵有大量微觀裂紋，見圖7。采用牛（niú）津INCA250能（néng）譜儀(EDS)對斷口（kǒu）表麵腐（fǔ）蝕（shí）產物(圖7)及裂紋內腐蝕產物(圖8)進行能（néng）譜分析，結果見圖9。

　　可見腐蝕產物（wù）中除（chú）鐵主峰線外，還可見氧、氯等峰線，表明腐蝕產物（wù）主要為含氯、氧的化合物。

　　綜合分析
　　由化學成分（fèn）分析、力學性能試驗結果可（kě）以（yǐ）看（kàn）出，該斷裂艉軸的化學成分、力學（xué）性能（néng）均符（fú）合（hé）中國船級社«材料與焊接規範»(2006)和GB/T699-2015技術要求，可排除（chú）材料因素引起艉軸斷裂的可能。

　　由（yóu）金相檢驗結果可以看出：艉軸顯（xiǎn）微組織為鐵素體+珠光體，組（zǔ）織正常，未見異常正火態組織，可排除熱處理因素引起（qǐ）艉軸斷裂的可能。艉軸邊緣處有大量裂紋，且裂紋兩側無明（míng）顯脫碳，說明裂紋是（shì）在（zài）使（shǐ）用過程中逐漸產生並擴展的。

　　根據斷口宏觀形貌分析結果可以確定，該（gāi）尾軸（zhóu）斷（duàn）裂性質為疲勞斷裂；根據邊緣裂紋形貌分析和腐蝕產（chǎn）物成分分析結果可（kě）確定，艉軸發生（shēng）了電偶腐蝕；由此可推斷艉軸斷裂為電偶腐蝕疲勞所致（zhì）。由於軸套材料為合金鋼（gāng），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（shuǐ）為電解（jiě）質)時（shí），會產生電池效應，發（fā）生電偶腐（fǔ）蝕，在（zài）兩金屬接觸邊緣區域，電位較低的35碳（tàn）鋼快速腐蝕，而電位較（jiào）高的合金鋼軸套（tào）則減緩腐蝕。電（diàn）偶腐蝕一旦（dàn）產生，各區域在一定的條件（jiàn）下會（huì）發（fā）生不同模式（shì）的腐蝕，有金屬全麵腐蝕，有點腐蝕(深入後成（chéng）為微裂紋)。

　　艉軸在服役（yì）狀態下，所承受的交變應（yīng）力會加速微裂紋的擴（kuò）展，當艉軸剩（shèng）餘截麵所承受的應力（lì）大於材料本（běn）身的（de）強度時，便會（huì）發生斷裂（liè）失效（xiào）。

　　結語及建議
　　該船（chuán）用艉軸斷裂為電（diàn）偶腐蝕疲勞所致。采用大陽極、小陰極，或者（zhě）對於不（bú）同電位的金屬連接件進行一（yī）定的防護處理，可減少此類事件的發生（shēng）。

選自：《理化檢驗—物理分冊》Vol.542018.10
作者：侯帥帥，工程師，青島市產品質量監督檢驗研究院