如何确定哪种腐蚀才是最终导致艉轴断裂的“凶手”
2018-12-21 11:32:55
作者：侯帅帅 来源：《理化检验—物理分册》
船用艉轴为轴系的最后端，其尾部与螺旋桨连接，用于传递扭矩和承受推力。某渔轮在海上行驶5a（年）左右，艉轴突然断裂，其材料为35钢，直径为290mm，长度为4420mm，质量为2491kg，锻造成型后经正火+回火处理。为查明该船用艉轴断裂原因，对其进行了检验和分析。
理化检验
宏观分析
图1 断裂艉轴宏观形貌
艉轴刚断裂时的形貌如图1所示，可见艉轴外部包有合金钢轴套，经检查合金钢轴套外表面基本无锈蚀，其与艉轴外缘接触处腐蚀严重。
艉轴断裂面中部（图1中B 处）表面凹凸不平，有金属光泽，未见被氧化的迹象；其余断裂面（图1中A处）的表面较平整光滑，没有金属光泽，存在被氧化的迹象。
图2 艉轴断口宏观形貌
为方便取出艉轴，在其断口上焊接一吊耳，如图2所示。断口宏观形貌显示：该艉轴断口部分区域有较光滑平坦的裂纹扩展区，可以观察到贝纹线（图2中a区域）；断口大部分区域为较粗糙的瞬断区。根据断口宏观形貌特征可以确定，该艉轴断裂性质为疲劳断裂；根据疲劳裂纹扩展规律可以确定，疲劳裂纹源位于图2中的a区域。
化学成分分析
表1 艉轴的化学成分（质量分数）
使用德国Bruker公司Q8 MAGELLAN直读光谱分析仪对断裂艉轴进行化学成分分析，结果见表1。
结果表明，该艉轴材料的化学成分满足中国船级社？材料与焊接规范？（2006）和GB/T 699-2015?优质碳素结构钢？技术要求。经计算，该艉轴材料的碳当量为0.52％。
力学性能试验
表2 艉轴的力学性能
在断裂艉轴1/4处取纵向拉伸试样和冲击试样，分别进行室温拉伸和夏比冲击试验，结果见表2。
可见断裂艉轴的各项力学性能也符合中国船级社？材料与焊接规范？（2006）和GB/T 699-2015的技术要求。
金相检验
图3 裂纹显微形貌
在艉轴断口边缘处（a区域）取样，磨制金相试样后采用蔡司Imager.M2M金相显微镜进行金相分析。
图4 裂纹内氧化物形貌
观察发现有大量裂纹，裂纹均从艉轴外缘向轴心扩展，且前端较尖锐，尾部较钝，最大裂纹尺寸约2.5mm，裂纹内部有浅灰色的氧化物，见图3~4。
图5 裂纹处显微组织形貌
图6 基体显微组织形貌
艉轴显微组织为铁素体+珠光体，裂纹两侧未见明显脱碳，见图5~6。
断口形貌及微区成分分析
图7 艉轴断口SEM形貌
图8 裂纹内腐蚀产物SEM形貌
图9 断口表面腐蚀产物EDS谱
采用蔡司Sigma场发射扫描电镜（SEM）对艉轴断口形貌进行观察，发现该艉轴腐蚀层表面有大量微观裂纹，见图7。采用牛津INCA250 能谱仪（EDS）对断口表面腐蚀产物（图7）及裂纹内腐蚀产物（图8）进行能谱分析，结果见图9。
可见腐蚀产物中除铁主峰线外，还可见氧、氯等峰线，表明腐蚀产物主要为含氯、氧的化合物。
综合分析
由化学成分分析、力学性能试验结果可以看出，该断裂艉轴的化学成分、力学性能均符合中国船级社？材料与焊接规范？（2006）和GB/T 699-2015技术要求，可排除材料因素引起艉轴断裂的可能。由金相检验结果可以看出：艉轴显微组织为铁素体+珠光体，组织正常，未见异常正火态组织，可排除热处理因素引起艉轴断裂的可能。艉轴边缘处有大量裂纹，且裂纹两侧无明显脱碳，说明裂纹是在使用过程中逐渐产生并扩展的。
根据断口宏观形貌分析结果可以确定，该尾轴断裂性质为疲劳断裂；根据边缘裂纹形貌分析和腐蚀产物成分分析结果可确定，艉轴发生了电偶腐蚀；由此可推断艉轴断裂为电偶腐蚀疲劳所致。由于轴套材料为合金钢，艉轴材料为碳钢，两者具有不同的电位，当两者组合浸入海水（海水为电解质）时，会产生电池效应，发生电偶腐蚀，在两金属接触边缘区域，电位较低的35碳钢快速腐蚀，而电位较高的合金钢轴套则减缓腐蚀。电偶腐蚀一旦产生，各区域在一定的条件下会发生不同模式的腐蚀，有金属全面腐蚀，有点腐蚀（深入后成为微裂纹）。
艉轴在服役状态下，所承受的交变应力会加速微裂纹的扩展，当艉轴剩余截面所承受的应力大于材料本身的强度时，便会发生断裂失效。
为方便取出艉轴，在其断口上焊接一吊耳，如图2所示。断口宏观形貌显示：该艉轴断口部分区域有较光滑平坦的裂纹扩展区，可以观察到贝纹线（图2中a区域）；断口大部分区域为较粗糙的瞬断区。根据断口宏观形貌特征可以确定，该艉轴断裂性质为疲劳断裂；根据疲劳裂纹扩展规律可以确定，疲劳裂纹源位于图2中的a区域。
结语及建议
该船用艉轴断裂为电偶腐蚀疲劳所致。采用大阳极、小阴极，或者对于不同电位的金属连接件进行一定的防护处理，可减少此类事件的发生。
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