某电厂2号锅炉给水泵在运行中多次发生主轴 断裂故障，该给水泵型号CHTC5-6SP，转动轴母材 材质为0Cr13Ni4Mo，表面镀铬。0Cr13Ni4Mo属于超 低碳沉淀硬化不锈钢材料，由于其较高的韧性及疲 劳强度被广泛应用于核电、石油机械、阀门等领 域。目前国内没有关于0Cr13Ni4Mo材料质量的相 关标准，本文参考美国标准《ASTM A182/A 182M— 2006 高温用锻制或轧制合金钢法兰、锻制管件、阀 门和部件》中的F6NM（S41500）钢标准^[1]。为防止同 类事故再次发生，对断轴取样进行了理化检验及失效分析，查明了主轴断裂原因，并提出处理建议。 1 理化检验 1.1 宏观形貌分析

给水泵转动轴断口宏观形貌如图 1所示。断口 外边缘区域1较为平整，个别位置呈棘轮状形貌，说 明该区域存在较大的应力集中，为疲劳裂纹源区； 区域2呈现与扭力矩方向垂直的纹路，为裂纹扩展 区；中心区域3为瞬断区，该断口为典型的多源疲劳 断口^[2]。

图 1(Figure 1)

图 1 给水泵转动轴断口宏观形貌

选取给水泵转动轴中心部位进行取样，根据 《GB/T 11170—2008 不锈钢多元素含量的测定火花 放电原子发射光谱法（常规法）》^[3]，利用SPECTRO⁃ LAB台式直读火花源原子发射光谱仪MAXx对断轴 进行化学成分测试，确定其成分组成是否符合 ASTM标准要求。检测数据如表 1所示，结果表明： 转动轴化学成分均符合ASTM标准中F6NM钢的技 术要求^[1]。

表 1(Table 1)

表 1 转动轴各化学成分质量分数 %

表 1 转动轴各化学成分质量分数

在断裂的给水泵转动轴母材上取样，根据《GB/ T 228.1—2010 金属材料拉伸试验第1部分：室温试 验方法》^[4]在CTM5305型电子万能试验机上进行常 温拉伸试验。根据《GB/T 229—2007 金属材料夏比 摆锤冲击试验方法》^[5]，在ZYS1601-B型全自动低温 冲击试验机上进行常温冲击试验。检测数据如表 2 所示，结果表明：转动轴母材强度、塑性等指标均符 合标准要求^[1]。

表 2(Table 2)

表 2 转动轴力学性能

表 2 转动轴力学性能

给水泵转动轴断口显微形貌如图 2所示，断面 上存在明显的疲劳辉纹，是疲劳断裂的特征，进一 步证实了转动轴的断裂为疲劳开裂^[2]。

图 2(Figure 2)

图 2 转动轴断口微观形貌

对断裂的给水泵转动轴进行金相检测，其显微 组织如图 3所示，转动轴母材基体显微组织为回火 马氏体组织。

图 3(Figure 3)

图 3 转动轴母材显微组织

选取断裂的给水泵转动轴外表面镀铬层作为 检测对象，其微观组织形貌（如图 4）显示镀铬层存 在大量裂纹，且部分裂纹尖端已经延伸扩展至轴体 母材，并形成裂纹源（见图 5），从而导致转动轴疲劳 断裂。

图 4(Figure 4)

图 4 转动轴表面镀铬层

图 5(Figure 5)

图 5 转动轴镀铬层裂纹扩展至轴体母材

根据《GB/T 4340.1—2009 金属材料维氏硬度试 验第1部分：试验方法》^[6]，利用Tukon2500 Minute⁃ man全自动维氏硬度计分别在转动轴表面镀铬层， 及镀铬层与转动轴结合处选取5个不同位置进行硬 度测试。镀铬层显微硬度测试结果如表 3所示，镀 铬层硬度较高，约为基体母材的3倍；但镀铬层与转 动轴母材结合处的硬度和基体内部硬度基本一致， 因此镀铬工艺并未引起轴体机械性能的下降。

表 3(Table 3)

表 3 镀铬层及与转动轴结合处轴体母材显微硬度测试结果 HV

表 3 镀铬层及与转动轴结合处轴体母材显微硬度测试结果

通过对镀铬层进行能谱分析，能谱分析区域及 结果见图 6、图 7，发现转动轴表面镀铬层铬质量分 数较高。根据文献^[2]可知，基体表面镀铬虽然对基 体的拉伸强度没有影响，但会大幅降低材料的疲劳 强度，缩短疲劳寿命，且会使疲劳断裂由单源区断 裂变为多源区断裂^[7]。

图 6(Figure 6)

图 6 转动轴表面镀铬层能谱分析区域

图 7(Figure 7)

图 7 转动轴表面镀铬层能谱分析结果

（1） 断裂给水泵转动轴母材的显微组织、力学 性能、化学成分均符合相关技术标准要求，韧性优 良，无脆性倾向。

（2） 给水泵转动轴外表面高硬度镀铬层发生 开裂，并且延伸扩展至轴体母材，从而降低了转动 轴的疲劳强度，是导致转动轴断裂的主要原因。

（3） 断口的宏观及微观形貌表明，断裂均为低 周疲劳断裂。裂纹扩展区纹路宽度较为均匀，说明 转动轴所受应力呈周期性变化，这与给水泵处于变 频运行工况，从而诱发转动轴产生共振有关^[8]。

（4） 建议去除给水泵转动轴表面的镀铬层，或 更换表面无镀铬层的转动轴，以避免同类事故再次 发生。