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，長度為4420mm，質量為2491kg，鍛造成型后經正火+回火處理。為查明該船用艉軸斷裂原因，對其進行了檢驗和分析。

理化檢驗

　　宏觀分析

圖1 斷裂艉軸宏觀形貌

　　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，經檢查合金鋼軸套外表面基本無銹蝕，其與艉軸外緣接觸處腐蝕嚴重。

　　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，沒有金屬光澤，存在被氧化的跡象。

圖2 艉軸斷口宏觀形貌

　　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；根據疲勞裂紋擴展規律可以確定，疲勞裂紋源位于圖2中的a區域。

　　化學成分分析

表1 艉軸的化學成分(質量分數)

　　使用德國Bruker公司Q8 MAGELLAN直讀光譜分析儀對斷裂艉軸進行化學成分分析，結果見表1。

　　結果表明，該艉軸材料的化學成分滿足中國船級社«材料與焊接規范»(2006)和GB/T699-2015«優質碳素結構鋼»技術要求。經計算，該艉軸材料的碳當量為0.52％。

力學性能試驗

表2 艉軸的力學性能

　　在斷裂艉軸1/4處取縱向拉伸試樣和沖擊試樣，分別進行室溫拉伸和夏比沖擊試驗，結果見表2。

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

　　金相檢驗

圖3 裂紋顯微形貌

　　在艉軸斷口邊緣處(a區域)取樣，磨制金相試樣后采用蔡司Imager.M2M金相顯微鏡進行金相分析。

圖4 裂紋內氧化物形貌

　　觀察發現有大量裂紋，裂紋均從艉軸外緣向軸心擴展，且前端較尖銳，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3~4。

圖5 裂紋處顯微組織形貌

圖6 基體顯微組織形貌

　　艉軸顯微組織為鐵素體+珠光體，裂紋兩側未見明顯脫碳，見圖5~6。

　　斷口形貌及微區成分分析

圖7 艉軸斷口SEM形貌

圖8 裂紋內腐蝕產物SEM形貌

圖9 斷口表面腐蝕產物EDS譜

　　采用蔡司Sigma場發射掃描電鏡(SEM)對艉軸斷口形貌進行觀察，發現該艉軸腐蝕層表面有大量微觀裂紋，見圖7。采用牛津INCA250能譜儀(EDS)對斷口表面腐蝕產物(圖7)及裂紋內腐蝕產物(圖8)進行能譜分析，結果見圖9。

　　可見腐蝕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含氯、氧的化合物。

　　綜合分析
　　由化學成分分析、力學性能試驗結果可以看出，該斷裂艉軸的化學成分、力學性能均符合中國船級社«材料與焊接規范»(2006)和GB/T699-2015技術要求，可排除材料因素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，未見異常正火態組織，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，且裂紋兩側無明顯脫碳，說明裂紋是在使用過程中逐漸產生并擴展的。

　　根據斷口宏觀形貌分析結果可以確定，該尾軸斷裂性質為疲勞斷裂；根據邊緣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，當兩者組合浸入海水(海水為電解質)時，會產生電池效應，發生電偶腐蝕，在兩金屬接觸邊緣區域，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。電偶腐蝕一旦產生，各區域在一定的條件下會發生不同模式的腐蝕，有金屬全面腐蝕，有點腐蝕(深入后成為微裂紋)。

　　艉軸在服役狀態下，所承受的交變應力會加速微裂紋的擴展，當艉軸剩余截面所承受的應力大于材料本身的強度時，便會發生斷裂失效。

　　結語及建議
　　該船用艉軸斷裂為電偶腐蝕疲勞所致。采用大陽極、小陰極，或者對于不同電位的金屬連接件進行一定的防護處理，可減少此類事件的發生。

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