風電主軸是風機傳動系統的核心部件，在風機中起到連接葉片輪轂和齒輪箱、傳遞動能的作用。風電主軸服役壽命長且服役環境惡劣，極易發生斷裂事故。因此，需要嚴格控制主軸的質量和性能，這導致主軸的生產難度較大，在生產過程中容易出現開裂報廢等情況。

     某QT500-14風電主軸在鑄造成型后的開箱檢驗過程中，采用切割方式將鎖定孔內披縫去除，去除后未見明顯裂紋，靜置5d后，發現鎖定孔邊緣部位出現開裂現象，裂紋從鎖定孔邊緣一直貫穿至中心，導致該主軸報廢。為了查找開裂原因，筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡（SEM）分析、金相檢驗、力學性能測試等方法分析了鎖定孔開裂的原因，以防止該類問題再次發生。

1、理化檢驗

1.1 宏觀觀察

    開裂鑄造風電主軸及其斷口宏觀形貌如圖1所示，該主軸鎖定孔邊緣發生開裂現象，開裂位置如圖內方框所示。沿著裂紋打開主軸，打開后的裂紋斷口如圖1c) 所示。對斷口進行仔細觀察，發現斷口較平齊，斷口表面局部可見明顯的紅褐色氧化產物，斷口可見明顯的裂紋擴展痕跡，裂紋擴展方向如圖中箭頭所示，裂紋源位于切割面附近，如圖1c)，1d)中橢圓所示。此外，斷口及其附近未見明顯的塑性變形。

1.2 化學成分分析

     從鎖定孔的遠離切割面處截取試樣，用X射線熒光光譜儀和高頻紅外碳硫分析儀對試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：主軸的化學成分符合技術要求。

1.3 掃描電鏡分析

      利用線切割方法在裂紋源位置及遠離裂紋源位置分別取樣，用乙醇溶液清洗后，將試樣放入掃描電子顯微鏡中觀察。開裂主軸斷口裂紋源附近及遠離裂紋源處SEM形貌如圖2~3所示。由圖2~3可知：斷口邊緣約2mm區域未見明顯球狀石墨，可判斷裂紋源位于過渡區附近，繼續向內可見明顯的球狀石墨密集分布區域，該區域的寬度分布不均（見圖2）；超過石墨密集分布區域后，呈穿晶開裂特征形貌，石墨分布彌散（見圖3）。裂紋源處石墨的密集程度明顯高于遠離裂紋源處。

1.4 金相檢驗

      從平行于開裂斷口裂紋源處取樣，將試樣磨制、拋光后置于光學顯微鏡下觀察，觀察靠近裂紋源處的球化情況，再用5%（體積分數）的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣，將腐蝕后試樣置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：靠近裂紋源處試樣的石墨呈蠕蟲狀和團絮狀、團狀聚集分布，石墨分布很不均勻[ 見圖4a）]；顯微組織為淬火馬氏體+珠光體+ 萊氏體+ 鐵素體，鐵素體質量分數小于5% [見圖4b）~4d）]。

     斷口遠離裂紋源處微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：遠離裂紋源處的石墨大部分呈球狀和團狀分布，石墨分布比較均勻，球化率大于90%，石墨大小級別為6 級[ 見圖5a）]，鐵素體質量分數大于95%[ 見圖5b）]，組織為鐵素體和少量沿鐵素體晶界析出的碳化物[ 見圖5c）~5d）]，符合產品要求。

1.5 力學性能測試

      截取開裂主軸本體和附鑄試塊的材料，并將其制成拉伸試樣，按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對試樣進行拉伸試驗，結果如表2所示。由表2可知：斷裂主軸和附鑄試塊的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均符合技術要求。

2、綜合分析

      靠近切割面的顯微組織為馬氏體，說明該位置在加熱到一定溫度后經歷過迅速冷卻的過程。在迅速冷卻的過程中，過渡區附近會產生較大的內部應力。裂紋源位于過渡區附近，石墨明顯密集分布，石墨密集分布將導致局部區域的抗拉強度偏低。切割結束后的周向拉應力超過了該區域的抗拉強度，使材料產生微裂紋。微裂紋產生后，在殘余應力和重力等局部應力共同作用下，裂紋不斷擴展，最終形成了較深的裂紋，導致主軸鎖定孔斷裂。

3、結語及建議

     主軸鎖定孔切割面附近有明顯的石墨密集分布，在冷卻過程中，局部內應力超過其強度而產生微裂紋；微裂紋在殘余應力等局部應力的作用下不斷延伸，最終導致主軸斷裂。建議提高原材料的質量，保證基體中材料性能的均勻性；優化切割工藝，切割前進行預熱，切割后增加緩冷措施。

作者：張振 1，劉哲 1，劉瓏 2，楊開彬 1

單位：1. 金雷科技股份公司；

2. 齊魯工業大學（山東省科學院）山東省材料失效分析與安全評估工程技術研究中心

來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第6期