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(40Cr)減速箱高速軸斷裂失效分析【案例分析】

我公司煉鐵廠1號高爐于2014年某日發生上料主卷揚減速箱高速軸(40Cr)斷裂事故,導致高爐無計劃休風835min。在金相分析的基礎上,應用掃描電鏡(SEM)及其附件能譜儀(EDS)聯袂對斷軸進行定性定量分析后,找出導致該軸脆性斷裂的可能原因,對防止類似事故的發生有積極意義。



失效分析方法


在斷軸上截取全斷面制成光譜樣進行化學成分和硬度分析,根據圖紙要求的標準性能判斷所用材料的符合性。


對斷裂軸全截面進行清洗,在低倍率下觀察其宏觀形貌,從宏觀上找出斷裂的撕裂紋走向,從而判斷其斷裂的最初起源點;對斷裂源進行電鏡、金相等分析,找出導致其斷裂失效原因;對斷裂全截面的硬度與顯微組織進行分析,從而對失效原因做出綜合分析。



材料材質符合性判斷


韶鋼煉鐵廠1號高爐主卷揚機減速箱高速齒輪軸圖樣標示材質為40Cr調質處理,從化學成分和硬度檢測結果看,材料符合要求。


1.成分檢測

在斷軸上截取全斷面制成光譜樣,隨機取3個點分析,成分實測值與標準成分區間值范圍對比完全吻合,見表1。

表1  化學成分(質量分數)   (%)

元素

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Cu

Te

標準

0.35

0.20

0.50

≤0.035

0.80

0.45

0.40

0.80

1.10

實測

0.363

0.396

0.378

0.218

0.222

0.223

0.695

0.668

0.671

0.008

0.008

0.010

0.019

0.013

0.014

0.975

0.995

0.988

0.027

0.030

0.029

0.023

0.022

0.024

2.材料調質硬度

該齒輪軸圖樣要求材料調質后硬度255~286HBW。在斷軸上取樣檢測,結果為262~276HBW10/3000,符合要求。



減速箱高速軸齒斷失效分析


1.基體金相組織和硬度分析

韶鋼煉鐵廠1號高爐主卷揚機減速箱高速齒輪軸材質為調質40Cr,目標組織為回火索氏體。


(1)試樣表面基體組織與夾雜物情況

在試樣靠近斷面20mm處取全截面試樣分析基體組織,選取試樣邊緣作為檢測點,檢測結果:金相組織(見圖1、圖2)為回火索氏體+網狀鐵素體(5.7%);夾雜物(見圖3)評級為A2.5eD0.5級;硬度結果為276HBW10/3000。

圖1 邊緣組織(100×)         圖2邊緣組織(500×)               圖3 邊緣夾雜(100×)


(2)試樣徑向1/4處的組織與夾雜物情況

在試樣靠近斷面20mm處取全截面試樣分析基體組織,選取試樣徑向1/4處作為檢測點,檢測結果:金相組織(見圖4、圖5)為回火索氏體+網狀鐵素體(16.2%);夾雜物(見圖6)評級為A3.0eD0.5級;硬度結果為262HBW10/3000。

圖4  100×                     圖5  500×                       圖6  100×

(3)試樣心部(徑向1/2處)的組織與夾雜物情況

在試樣靠近斷面20mm處取全截面試樣分析基體組織,選取試樣心部(徑向1/2處)處作為檢測點,檢測結果:金相組織(見如圖7、圖8)為回火索氏體+網狀鐵素體(18.7%);夾雜物(見圖9)評級為A2.5eD0.5級;硬度結果為246HBW10/3000。

圖7  100×                   圖8  500×                 圖9  100×

(4)基體組織與硬度分析

從不同部位基體組織檢測結果說明:基體組織中存在鐵素體且其含量呈規律性變化,反映了該軸調質處理中淬火工藝執行質量未達工藝要求;基體中夾雜物較嚴重,進一步降低了該軸的性能。①鐵素體含量從軸表層到心部呈規律性變化,從6%上升到19%;而硬度從軸表層到心部也呈規律性變化,從276HBW10/3000下降到246HBW10/3000。②試樣橫截面組織及其均勻性較差。試樣組織為回火索氏體+鐵素體,鐵素體基本呈網狀,這樣的組織脆性大,裂紋容易沿晶界擴散。③夾雜物較嚴重,在軸橫截面的1/4處達到了最嚴重的3級。夾雜物在交變應力作用下,易誘發裂紋產生而導致軸失效。

2.查找裂紋源

(1)斷裂斷口宏觀分析,找出斷裂裂紋源

分析軸斷口形貌,從其橫截面撕裂方向(見圖10)初步判斷該軸斷口的裂紋源為試樣邊緣結點處(近表面),該結點為長條橢圓形,裂紋向外擴展,見圖11。觀察可見,此結點顏色與底部基底顏色不一致,結點顏色較亮白,基底顏色深,帶黑紅;結點中間有細小裂紋。

圖10  斷面的斷口形貌

圖11 計算機處理后的裂紋源示意

(2)電鏡形貌分析,找出裂紋源

對圖11中疑為裂紋源的結點進行電鏡掃描,發現該結點與基體呈鑲嵌形態,且與基體間有裂紋(見圖12),進一步斷定該結點為鑲入物,就是裂紋源。對該結點做細致觀察,確認凹坑處為裂紋源,微觀形貌為河流狀花紋(見圖13、圖14),判斷該軸為脆性斷裂。

圖12 、 圖13 、 圖14  疑似裂紋源

3.確認裂紋源

(1)裂紋源處的組織

試樣磨制完成后經腐蝕發現:

①結點與其周圍(基體)組織顏色不一致。

②結點周圍(基體)組織為回火索氏體+網狀鐵素體,與基體組織一致;而結點處的組織為單純索氏體組織。

③基體與結點之間有裂紋,裂紋位于軸表面結點底部,見圖15到圖18。

圖15   裂紋兩邊組織(50×)     圖16  裂紋兩邊組織(50×)

圖17   裂紋兩邊組織(100×)             圖18  索氏體(500×)

(2)區域化學成分對比分析

結點處的金相組織為回火索氏體,對其進行電鏡掃描,能譜結果見圖19。

圖19 結點處的能譜圖

結點內側處(即基體)金相組織為回火索氏體+鐵素體,對其進行電鏡掃描,能譜結果見圖20。

圖20  基體的能譜圖

(3)區域化學成分對比分析

通過能譜分析可見,結點處化學成分與基體不同,基體中主要合金元素為Cr,而結點中的主要合金元素為Mn,其成分對比見表2。結點化學成分中Cr含量明顯偏低,Mn含量偏高,Mn元素聚集造成結點的淬透性變高。相同條件下,結點物質較容易轉變為馬氏體,調質回火轉變為回火索氏體,與該軸基體的索氏體+鐵素體組織明顯存在差異。轉變組織的不同造成轉變后組織體積的差異,使結點處成為應力集中點,使用過程中該結點受沖擊載荷而發展成裂紋,裂紋沿結點擴展到一定程度后發散,最終發生斷裂。


表2  結點與基體區域成分對比表(質量分數)(%)

元素

Si

Cr

Mn

Te

基體

0.67

1.15

98.18

結點

0.54

0.98

98.48

 


結語

由以上分析可知,以下原因造成了該高速軸的脆性斷裂:


1.主要原因

加工該高速軸所用的材料(40Cr)內部有組織缺陷,即存在有鑲入物質,鑲入物質與基體的顯微組織不同,前者是回火索氏體,后者是回火索氏體+網狀鐵素體,鑲入物質與基體之間有清晰界線。該缺陷導致基體形成了應力集中,在上料作業的沖擊載荷作用下產生裂紋源并擴展至斷裂。


2.次要原因

(1)該軸熱處理工藝執行質量未達到工藝要求,造成材料顯微組織存在網狀鐵素體,且其徑向顯微組織從材料表層到心部,網狀鐵素體組織所占比例從6%上升到19%,從而導致其硬度從表層到心部不同,從276HBW10/3000上升到246HBW10/3000;材料物理性能沿徑向變化梯度過大,降低了材料承受沖擊載荷的能力。


(2)夾雜物較嚴重,在軸橫截面的1/4處達到了最嚴重的3級。夾雜物在交變應力作用下,易誘發裂紋產生而導致軸失效。


(3)該材料缺陷點正好處于軸的受力面,加大了軸使用過程中發生裂斷的幾率。

作者:陳雪發,林晏民,劉學文

單位:寶鋼集團廣東韶關鋼鐵有限公司

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