船用艉軸為軸系的最后端，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(zhì)量為2491kg，鍛造成型后經(jīng)正火＋回火處理。為查明該船用艉軸斷裂原因，筆者對其進(jìn)行了檢驗和分析。

理化檢驗

1 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(jīng)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(yán)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(qū)域有較光滑平坦的裂紋擴(kuò)展區(qū)，可以觀察到貝紋線（圖2中a區(qū)域）；斷口大部分區(qū)域為較粗糙的瞬斷區(qū)。根據(jù)斷口宏觀形貌特征可以確定，該艉軸斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂；根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律可以確定，疲勞裂紋源位于圖2中的a區(qū)域。

2 化學(xué)成分分析

使用德國Bruker公司Q8 MAGELLAN 直讀光譜分析儀對斷裂艉軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 艉軸的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

結(jié)果表明，該艉軸材料的化學(xué)成分滿足中國船級社《材料與焊接規(guī)范》(2006)和GB/T 699－2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》技術(shù)要求。經(jīng)計算，該艉軸材料的碳當(dāng)量為0.52％。

3 化學(xué)性能試驗

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

表2 艉軸的力學(xué)性能

可見斷裂艉軸的各項力學(xué)性能也符合中國船級社《材料與焊接規(guī)范》(2006)和GB/T 699－2015的技術(shù)要求。

4 金相檢驗

在艉軸斷口邊緣處（a區(qū)域）取樣，磨制金相試樣后采用蔡司Imager.M2M金相顯微鏡進(jìn)行金相分析。觀察發(fā)現(xiàn)有大量裂紋，裂紋均從艉軸外緣向軸心擴(kuò)展，且前端較尖銳，尾部較鈍，最大裂紋尺寸約2.5mm，裂紋內(nèi)部有淺灰色的氧化物，見圖3~4。

圖3 裂紋顯微形貌

圖4 裂紋內(nèi)氧化物形貌

艉軸顯微組織為鐵素體＋珠光體，裂紋兩側(cè)未見明顯脫碳，見圖5~6。

圖5 裂紋處顯微組織形貌

圖6 基體顯微組織形貌

5 斷口形貌及微區(qū)成分分析

采用蔡司Sigma場發(fā)射掃描電鏡(SEM)對艉軸斷口形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該艉軸腐蝕層表面有大量微觀裂紋，見圖7。

圖7 艉軸斷口SEM形貌

采用牛津INCA250 能譜儀(EDS)對斷口表面腐蝕產(chǎn)物（圖7）及裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物（圖8）進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見圖9。

圖8 裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物SEM形貌

圖9 斷口表面腐蝕產(chǎn)物EDS譜

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

綜合分析

由化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗結(jié)果可以看出，該斷裂艉軸的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合中國船級社《材料與焊接規(guī)范》(2006)和GB/T 699－2015技術(shù)要求，可排除材料因素引起艉軸斷裂的可能。

由金相檢驗結(jié)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(tài)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(cè)無明顯脫碳，說明裂紋是在使用過程中逐漸產(chǎn)生并擴(kuò)展的。

根據(jù)斷口宏觀形貌分析結(jié)果可以確定，該尾軸斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂；根據(jù)邊緣裂紋形貌分析和腐蝕產(chǎn)物成分分析結(jié)果可確定，艉軸發(fā)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(dāng)兩者組合浸入海水（海水為電解質(zhì)）時，會產(chǎn)生電池效應(yīng)，發(fā)生電偶腐蝕，在兩金屬接觸邊緣區(qū)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(chǎn)生，各區(qū)域在一定的條件下會發(fā)生不同模式的腐蝕，有金屬全面腐蝕，有點(diǎn)腐蝕（深入后成為微裂紋）。

艉軸在服役狀態(tài)下，所承受的交變應(yīng)力會加速微裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)艉軸剩余截面所承受的應(yīng)力大于材料本身的強(qiáng)度時，便會發(fā)生斷裂失效。

結(jié)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(jìn)行一定的防護(hù)處理，可減少此類事件的發(fā)生。