5 金相分析
• 材质为3Cr13轴类零件推荐热处理工艺[1,2]为1000～1050℃ 淬火，640～670℃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金相
3#位置不同放大倍数时的金相
金相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。
改进建议
• 1）泵轴断裂处为轴径突变的轴肩处，在满足安装 工艺的条件下可适当增大此处的过渡圆角半径， 并注意提高加工表面质量； • 2）对离心泵轴进行无损检测，查看材质内部是否 存在缺陷，防止因内部缺陷引起应力集中； • 3）控制泵轴淬火时的加热温度和保温时间，使泵 轴经调质处理后的显微组织为马氏体位向的回火 索氏体，不允许有碳化物沿晶界网状的形态出现 。
Al 61.45 51.30 18.14 43.63 -
Si 0.86 0.95 3.14 1.65 ≤1.00
Cr 1.95 4.29 9.95 5.40 12.00~1 4.00
Ni 0.55 0.18 ≤0.60
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。
拉伸性能
编号 2# 3# 4# 均值 调质处理 σb/MPa 988.0 986.1 987.3 σs/MPa 836.1 850.1 833.8 δ/% 14.3 17.1 16.0 Ψ/% 39.1 40.4 40.2
987.1
≥940
840.0
≥790
15.8
≥16
39.9
≥52
冲击试验
编号 测量值 平均值 标准值 5# 26.7 6# 37.8 35.8 54 7# 42.9
电机设计参数
泵型号 出厂编号 流量(m3/h) 扬程(m) 100AY 转速 2950 120 (r/min) 11312 92 110 介质 轴功率 (KW) 润滑方 式 减二 材料代 中油 号 30.4 壳体 材料 S-6 Zzg230-450 ZG1Cr13Ni
效率(%) 功率 (KW) 电机
离心泵主轴失效分析案例
Failure 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
影响因素
材料 环境 载荷
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，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。
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 1# 2# 3# 平均值 GB/T 1220 C 0.289 0.284 0.307 0.293 0.26～ 0.35 Si 0.56 0.55 0.56 0.56 ≤1.00 Mn 0.53 0.53 0.53 0.53 ≤1.00 P 0.021 0.021 0.024 0.022 ≤0.04 0 S 0.0078 0.0093 0.0085 0.0085 ≤0.03 0 Ni 0.161 0.155 0.170 0.162 ≤0.60 Cr 13.11 13.13 13.13 13.12 12.00~14.0 0
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。
• 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能谱分析
1#
2#
小裂纹
3#
元素 1# 2# 3# 平均值 GB/T 1220
O 23.81 17.37 5.61 15.60 -
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。
型号
喷雾 叶轮 润滑 柔性 叶轮口 传动方 膜片 环 50 式 式联 轴 轴器 L65- 喉部衬 55 60G/ 套 机械密 YBXn TD封型号 壳体口 250MT0R9 环 2W 4/3
3Cr13
1Cr13MoS
现场图片
主轴结构还原 泵轴断裂处A
2 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。
6 力学性能测试
• 利用布氏硬度仪、MTS880万能液压试验机和摆 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 σb/MPa σs/MPa δ/% Ψ/% Ak/J HBW
254～ 3Cr13 940 790 16 52 54
285
硬度
编号 布氏硬度（HBW） 1# 532.0 2# 633.8 3# 618.7 4# 581.8 平均值 591.6 标准硬度 254～285