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减速箱高速轴断裂失效分析
发布日期:2021-01-22 点击:242

作者:陈雪发,林晏民,刘学文

单位:宝钢集团广东韶关钢铁有限公司

来源:《金属加工(热加工)》杂志

我公司炼铁厂1号高炉于2014年某日发生上料主卷扬减速箱高速轴(40Cr)断裂事故,导致高炉无计划休风835min。在金相分析的基础上,应用扫描电镜(SEM)及其附件能谱仪(EDS)联袂对断轴进行定性定量分析后,找出导致该轴脆性断裂的可能原因,对防止类似事故的发生有积极意义。

失效分析方法

在断轴上截取全断面制成光谱样进行化学成分和硬度分析,根据图纸要求的标准性能判断所用材料的符合性。

对断裂轴全截面进行清洗,在低倍率下观察其宏观形貌,从宏观上找出断裂的撕裂纹走向,从而判断其断裂的最初起源点;对断裂源进行电镜、金相等分析,找出导致其断裂失效原因;对断裂全截面的硬度与显微组织进行分析,从而对失效原因做出综合分析。

材料材质符合性判断

韶钢炼铁厂1号高炉主卷扬机减速箱高速齿轮轴图样标示材质为40Cr调质处理,从化学成分和硬度检测结果看,材料符合要求。

1.成分检测

在断轴上截取全断面制成光谱样,随机取3个点分析,成分实测值与标准成分区间值范围对比完全吻合,见表1。

表1 化学成分(质量分数) (%)

元素

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Cu

Te

标准

0.35

0.20

0.50

0.035

0.80

0.45

0.40

0.80

1.10

实测

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.材料调质硬度

该齿轮轴图样要求材料调质后硬度255~286HBW。在断轴上取样检测,结果为262~276HBW10/3000,符合要求。

减速箱高速轴齿断失效分析

1.基体金相组织和硬度分析

韶钢炼铁厂1号高炉主卷扬机减速箱高速齿轮轴材质为调质40Cr,目标组织为回火索氏体。

(1)试样表面基体组织与夹杂物情况

在试样靠近断面20mm处取全截面试样分析基体组织,选取试样边缘作为检测点,检测结果:金相组织(见图1、图2)为回火索氏体+网状铁素体(5.7%);夹杂物(见图3)评级为A2.5eD0.5级;硬度结果为276HBW10/3000。

图1 边缘组织(100×) 图2边缘组织(500×) 图3 边缘夹杂(100×)

(2)试样径向1/4处的组织与夹杂物情况

在试样靠近断面20mm处取全截面试样分析基体组织,选取试样径向1/4处作为检测点,检测结果:金相组织(见图4、图5)为回火索氏体+网状铁素体(16.2%);夹杂物(见图6)评级为A3.0eD0.5级;硬度结果为262HBW10/3000。

图4 100× 图5 500× 图6 100×

(3)试样心部(径向1/2处)的组织与夹杂物情况

在试样靠近断面20mm处取全截面试样分析基体组织,选取试样心部(径向1/2处)处作为检测点,检测结果:金相组织(见如图7、图8)为回火索氏体+网状铁素体(18.7%);夹杂物(见图9)评级为A2.5eD0.5级;硬度结果为246HBW10/3000。

图7 100× 图8 500× 图9 100×

(4)基体组织与硬度分析

从不同部位基体组织检测结果说明:基体组织中存在铁素体且其含量呈规律性变化,反映了该轴调质处理中淬火工艺执行质量未达工艺要求;基体中夹杂物较严重,进一步降低了该轴的性能。①铁素体含量从轴表层到心部呈规律性变化,从6%上升到19%;而硬度从轴表层到心部也呈规律性变化,从276HBW10/3000下降到246HBW10/3000。②试样横截面组织及其均匀性较差。试样组织为回火索氏体+铁素体,铁素体基本呈网状,这样的组织脆性大,裂纹容易沿晶界扩散。③夹杂物较严重,在轴横截面的1/4处达到了最严重的3级。夹杂物在交变应力作用下,易诱发裂纹产生而导致轴失效。

2.查找裂纹源

(1)断裂断口宏观分析,找出断裂裂纹源

分析轴断口形貌,从其横截面撕裂方向(见图10)初步判断该轴断口的裂纹源为试样边缘结点处(近表面),该结点为长条椭圆形,裂纹向外扩展,见图11。观察可见,此结点颜色与底部基底颜色不一致,结点颜色较亮白,基底颜色深,带黑红;结点中间有细小裂纹。

图10 断面的断口形貌

图11 计算机处理后的裂纹源示意

(2)电镜形貌分析,找出裂纹源

对图11中疑为裂纹源的结点进行电镜扫描,发现该结点与基体呈镶嵌形态,且与基体间有裂纹(见图12),进一步断定该结点为镶入物,就是裂纹源。对该结点做细致观察,确认凹坑处为裂纹源,微观形貌为河流状花纹(见图13、图14),判断该轴为脆性断裂。

图12 、 图13 、 图14 疑似裂纹源

3.确认裂纹源

(1)裂纹源处的组织

试样磨制完成后经腐蚀发现:

①结点与其周围(基体)组织颜色不一致。

②结点周围(基体)组织为回火索氏体+网状铁素体,与基体组织一致;而结点处的组织为单纯索氏体组织。

③基体与结点之间有裂纹,裂纹位于轴表面结点底部,见图15到图18。

图15 裂纹两边组织(50×) 图16 裂纹两边组织(50×)

图17 裂纹两边组织(100×) 图18 索氏体 (500×)

(2)区域化学成分对比分析

结点处的金相组织为回火索氏体,对其进行电镜扫描,能谱结果见图19。

图19 结点处的能谱图

结点内侧处(即基体)金相组织为回火索氏体+铁素体,对其进行电镜扫描,能谱结果见图20。

图20 基体的能谱图

(3)区域化学成分对比分析

通过能谱分析可见,结点处化学成分与基体不同,基体中主要合金元素为Cr,而结点中的主要合金元素为Mn,其成分对比见表2。结点化学成分中Cr含量明显偏低,Mn含量偏高,Mn元素聚集造成结点的淬透性变高。相同条件下,结点物质较容易转变为马氏体,调质回火转变为回火索氏体,与该轴基体的索氏体+铁素体组织明显存在差异。转变组织的不同造成转变后组织体积的差异,使结点处成为应力集中点,使用过程中该结点受冲击载荷而发展成裂纹,裂纹沿结点扩展到一定程度后发散,最终发生断裂。

表2 结点与基体区域成分对比表(质量分数)(%)

元素

Si

Cr

Mn

Te

基体

0.67

1.15

98.18

结点

0.54

0.98

98.48

结语

由以上分析可知,以下原因造成了该高速轴的脆性断裂:

1.主要原因

加工该高速轴所用的材料(40Cr)内部有组织缺陷,即存在有镶入物质,镶入物质与基体的显微组织不同,前者是回火索氏体,后者是回火索氏体+网状铁素体,镶入物质与基体之间有清晰界线。该缺陷导致基体形成了应力集中,在上料作业的冲击载荷作用下产生裂纹源并扩展至断裂。

2.次要原因

(1)该轴热处理工艺执行质量未达到工艺要求,造成材料显微组织存在网状铁素体,且其径向显微组织从材料表层到心部,网状铁素体组织所占比例从6%上升到19%,从而导致其硬度从表层到心部不同,从276HBW10/3000上升到246HBW10/3000;材料物理性能沿径向变化梯度过大,降低了材料承受冲击载荷的能力。

(2)夹杂物较严重,在轴横截面的1/4处达到了最严重的3级。夹杂物在交变应力作用下,易诱发裂纹产生而导致轴失效。

(3)该材料缺陷点正好处于轴的受力面,加大了轴使用过程中发生裂断的几率。

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