بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر به بررسی علل ترك دار شدن و تخریب شفت فولادي توربین بخارکه در ﺑﺎزرﺳﯽ با ذراتنافذ مغناطیسی کاملاً نمایان شدهبود، پرداخته میشود. به این منظور آنالیز شیمیایی، بررسی میکروساختاري، سختیسنجی، آزمون کشش و ضربه انجام شد. نتایج نشان داد که ترکیب شیمیایی شفت در محدوده استاندارد فولاد AISI 420 قرار داشت.
نتایج آزمون سختی و کشش بالاتر از مقدار ذکر شده در استاندارد بود که به خاطر عملیات حرارتی و تمپرینگ صورت گرفته برروي شفت میباشد. به دلیل تردي هیدروژنی و حضور رسوبات سولفور منگنز انرژي ضربه نیز کمتر از مقدار ذکر شده در استاندارد بود. همچنین با بررسیهاي انجام گرفته مشخص شد که مکانیزم تركدار شدن و در نتیجه تخریب سطح شفت نیز خستگی توأم با خوردگی بودهاست.
مقدمه
شفتهامعمولاً داراي شکل استوانهاي هستند و بهمنظور کمک به چرخش اجزا یا انتقال قدرت توسط حرکت دوار یا محوري استفاده میشوند. شرایط کاري شفتها در گستره مختلفی از دما و محیطهاي خورنده مختلف و تحت نیروهاي تنشی، خمشی، فشاري و پیچشی میباشد. بنابراین با توجه به کاربردشان از مواد مختلف ساخته می شوند 1]و.[2 فولاد AISI 420 به دلیل دارا بودن استحکام و چقرمگی بالا و مقاومت خستگی خوب یکی از رایجترین آلیاژها براي ساخت شفت میباشد.
همچنین قابلیت عملیات حرارتی، تمپرینگ و در نتیجه خواص مکانیکی بهینه نیز از دیگر ویژگیهاي این آلیاژ میباشد که تمایل براي ساخت قطعاتی مانند شفت از جنس این نوع فولاد را افزایش میدهد. دانستن دلیل تخریب این شفتها میتواند به پیشگیري از این موضوع کمک کند. اغلب عمدهترین دلیل شکست این شفتهاي فولادي خستگی و خوردگی تنشی میباشد . [5-3] در این تحقیق به بررسی علل تركهاي ظاهرشده بر روي سطح شفت توربین بخار فولادي AISI 420 که در بازرسی با مواد نافذ مغناطیسی - شکل1کاملاً - آشکار شد، پرداخته میشود.
روش تحقیق
براي تعیین ترکیب شیمیایی شفت از دستگاه کوانتومتر استاندارد مدل ARUN 2500 استفاده شد. بهمنظور بررسی ریزساختار سطح و مکانیزم تخریب شفت ابتدا قطاع دیسکی شکل از مقطع شفت - شکل - 2 تهیه شد. سپس این قطاع از محل ترك با اعمال نیرو شکسته و دو سطح دیگر نیمقطاعِ حاصل، تراشیده شد. سپس با استفاده از SEM دستگاه MIRA3TESCAN-XMU مجهز به آنالیز EDS دو سطح تراشیده و شکسته شده مورد بررسی قرار گرفت. میکروسکوپ نوري Olympuse نیز پس از اچ کردن نمونه ها در محلول نایتال %5 بکار گرفتهشد. اندازهگیري سختی با استفاده از دستگاه تحت بار 10kg انجام شد.
آزمایش کشش نیز مطابق با استاندارد DIN 50125 با دستگاه Hounsfield H50KS صورت گرفت. آزمون ضربه هم در دو جهت طولی و عرضی محور شفت توربین مطابق با استاندارد ASTM F23 از نوع Charpy Impact test با هندسه ناچ V به عمق 2mm در دو دماي 200 و 400 درجه سانتیگراد - با توجه به اینکه دماي کاري توربین در این محدوده است - انجام شد. سطوح شکستنیز به وسیله آزمون ضربه تحلیل شد.
نتایج و بحث
نتیجه آنالیز شیمیایی شفت مورد بررسی - جدول - 1 تأییدکننده این است که شفت مورد بررسی از فولاد AISI 420 ساخته شدهاست، زیرا ترکیب شیمیایی آن در محدوده استاندارد مربوط به این فولاد قرار دارد
بررسی سطح شفت نشان میدهد رسوبات سولفور منگنز وجود دار د که میتواند منشأ تمرکز تنش و جوانهزنی ترك باشد - شکل3، 4 و جدول. - 2 تصویر تهیهشده از لبه هاي بیرونی شکل - - 5 مربوط به سطح تراشکاري و پولیش شده - سطح A در شکل - 2 میباشد.
در این تصاویر حفرات بسیار ریز میکرونی دیده میشود که به دلیل کروي بودن آنها منشأ گازي دارند نه انقباضی. از اینرو به نظر میرسد این فولاد جذب گاز داشته است. علاوه بر این، لبه هاي نزدیک به سطح پیشروي ترك نیز شکست بیندانهاي و جدا شدن دانهها از مرز بیندانهاي را نشان میدهد که یکی از خصوصیات جذب هیدروژن یا دياکسید کربن است.
آنالیز نقطه A از شکل - 6 - نشان میدهد که رسوبات موجود در این لبه حاوي مقادیر زیادي کربن و اکسیژن است. کربن موجود از سایش رینگ گرافیتی روي شفت به وجود آمده و در بخار 400 درجه سانتیگراد می تواند به راحتی با اکسیژن موجود واکنش دهد و شرایط نفوذ CO2 و یا جذب هیدروژن را در فضاي بین دانهاي این فولاد فراهم کند.
آنالیز نقاط B و C در شکل - - 6 نیز نشاندهنده حضور عناصر مضر مانند Cl، Al و Na همراه با کربن و اکسیژن فراوان میباشد - جدول. - 3 این مطلب تأییدکننده واکنشهاي خوردگی همراه با خستگی میباشد. بهطوري که وجود یون کلر میتواند با کاهش شدید فاکتور تافنس شکست در فولاد AISI 420 ، از حدود42 MPa.m1/2 به 12 MPa.m1/2، موجب خستگی توأم با خوردگی گردد
شکل - 7 - سطح شکست - صفحه ترك - را در لبه بیرونی شفت که توسط کربن رینگ زغالی سیاه شده بود، نشان میدهد. در اینجا هم رشد ترك در مرز بین دانههاي فولاد زنگنزن دیده میشود و حتی در مواردي دانهها از جاي خود خارج شدهاند. که این حالت بیشتر مربوط به حمله هیدروژن و آزاد شدن اتمهاي گازي که در بالا توضیح داده شد می شود. نتایج آنالیز EDS - جدول - 4 از منطقهدهانه شاخه فرعیِ ترك رشد یافته - منطقه A از شکل - 7 نشان داد که سطح این ترك کاملاً اکسید شده و از طرفی مقدار قابل ملاحظهاي گوگرد وجود دارد.
لذا ترك در مرز بین دانه با رسیدن به رسوبات MnS، بهطرف آن - به علت تمرکز تنش آنها - تغییر جهت میدهد و به صورت شبکه تارعنکبوتی در مرز بین دانهها و اطراف رسوب پیشروي مینماید - شکل. - 8 رگههاي خستگی - - striations نیز در سطح شکست دیده میشودکه مجدداً تأییدکننده خستگی توأم با خوردگی میباشد - شکل. - 9 اما سطوح دسته رگههاي خستگی در اثر نفوذ بخار داغ و کربن اکسید میشود و پیداکردنشان سخت خواهدبود. حضور رسوبات سولفور منگنز در منطقه شکسته شده توسط اعمال نیروي خارجی نیز در شکل 10 و جدول 5 مشخص است. این منطقه به سمت مرکز شفت قرار دارد و آثار تغییر فرم پلاستیک روي آن مشهود است.
براي اطمینان از وجود سولفور منگنز در بقیه قسمتهاي شفت، نمونههاي ضربه در دو جهت طولی و عرضی تهیه شد. نتایج این آزمون - جدول - 6 نشان میدهد انرژي ضربه شفت کمتر از استاندارد می باشد
