陳雪發(fā),林晏民,劉學(xué)文
我公司煉鐵廠1號(hào)高爐于2014年某日發(fā)生上料主卷?yè)P(yáng)減速箱高速軸(40Cr)斷裂事故,導(dǎo)致高爐無(wú)計(jì)劃休風(fēng)835min。在金相分析的基礎(chǔ)上,應(yīng)用掃描電鏡(SEM)及其附件能譜儀(EDS)聯(lián)袂對(duì)斷軸進(jìn)行定性定量分析后,找出導(dǎo)致該軸脆性斷裂的原因,對(duì)防止類似事故的發(fā)生有積極意義。
在斷軸上截取全斷面制成光譜試樣進(jìn)行化學(xué)成分和硬度分析,根據(jù)圖樣要求的標(biāo)準(zhǔn)性能判斷所用材料的符合性。
對(duì)斷裂軸全截面進(jìn)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(diǎn);對(duì)斷裂源進(jìn)行電鏡、金相等分析,找出導(dǎo)致其斷裂失效的原因;對(duì)斷裂全截面的硬度與顯微組織進(jìn)行分析,從而對(duì)失效原因做出綜合分析。
韶鋼煉鐵廠1號(hào)高爐主卷?yè)P(yáng)機(jī)減速箱高速齒輪軸圖樣標(biāo)示材質(zhì)為40Cr調(diào)質(zhì)處理,從化學(xué)成分和硬度檢測(cè)結(jié)果看,材料符合要求。
在斷軸上截取全斷面制成光譜試樣,隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn)分析,成分實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)成分區(qū)間值范圍對(duì)比完全吻合,見表1。
表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
該齒輪軸圖樣要求材料調(diào)質(zhì)后硬度255~286HBW。在斷軸上取樣檢測(cè),結(jié)果為262~276HBW10/3000,符合要求。
韶鋼煉鐵廠1號(hào)高爐主卷?yè)P(yáng)機(jī)減速箱高速齒輪軸材質(zhì)為調(diào)質(zhì)40Cr,目標(biāo)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(cè)點(diǎn),檢測(cè)結(jié)果:金相組織(見圖1、圖2)為回火索氏體+網(wǎng)狀鐵素體(5.7%);夾雜物(見圖3)評(píng)級(jí)為A2.5eD0.5級(jí);硬度為276HBW10/3000。
(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(cè)點(diǎn),檢測(cè)結(jié)果:金相組織(見圖4、圖5)為回火索氏體+網(wǎng)狀鐵素體(16.2%);夾雜物(見圖6)評(píng)級(jí)為A3.0eD0.5級(jí);硬度結(jié)果為262HBW10/3000。
(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(cè)點(diǎn),檢測(cè)結(jié)果:金相組織(見圖7、圖8)為回火索氏體+網(wǎng)狀鐵素體(18.7%);夾雜物(見圖9)評(píng)級(jí)為A2.5eD0.5級(jí);硬度為246HBW10/3000。
(4)基體組織與硬度分析 從不同部位基體組織檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明:基體組織中存在鐵素體且其含量呈規(guī)律性變化,反映了該軸調(diào)質(zhì)處理中淬火工藝執(zhí)行質(zhì)量未達(dá)工藝要求;基體中夾雜物較嚴(yán)重,進(jìn)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(guī)律性變化,從6%上升到19%;而硬度從軸表層到心部也呈規(guī)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(wǎng)狀,這樣的組織脆性大,裂紋容易沿晶界擴(kuò)散。③夾雜物較嚴(yán)重,在軸橫截面的1/4處達(dá)到了最嚴(yán)重的3級(jí)。夾雜物在交變應(yīng)力作用下,易誘發(fā)裂紋產(chǎn)生而導(dǎo)致軸失效。
(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(jié)點(diǎn)處(近表面),該結(jié)點(diǎn)為長(zhǎng)條橢圓形,裂紋向外擴(kuò)展,見圖11。觀察可見,此結(jié)點(diǎn)顏色與底部基底顏色不一致,結(jié)點(diǎn)顏色較亮白,基底顏色深,帶黑紅;結(jié)點(diǎn)中間有細(xì)小裂紋。
(2)電鏡形貌分析,找出裂紋源 對(duì)圖11中疑為裂紋源的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行電鏡掃描,發(fā)現(xiàn)該結(jié)點(diǎn)與基體呈鑲嵌形態(tài),且與基體間有裂紋(見圖12),進(jìn)一步斷定該結(jié)點(diǎn)為鑲?cè)胛铮褪橇鸭y源。對(duì)該結(jié)點(diǎn)做細(xì)致觀察,確認(rèn)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。
(1)裂紋源處的組織 試樣磨制完成后經(jīng)腐蝕發(fā)現(xiàn):①結(jié)點(diǎn)與其周圍(基體)組織顏色不一致。②結(jié)點(diǎn)周圍(基體)組織為回火索氏體+網(wǎng)狀鐵素體,與基體組織一致;而結(jié)點(diǎn)處的組織為單純索氏體組織。③基體與結(jié)點(diǎn)之間有裂紋,裂紋位于軸表面結(jié)點(diǎn)底部,如圖15~圖18所示。
(2)區(qū)域化學(xué)成分對(duì)比分析 結(jié)點(diǎn)處的金相組織為回火索氏體,對(duì)其進(jìn)行電鏡掃描,能譜結(jié)果見圖19。
(2)結(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)處(即基體)金相組織為回火索氏體+鐵素體,對(duì)其進(jìn)行電鏡掃描,能譜結(jié)果見圖20。
(3)區(qū)域化學(xué)成分對(duì)比分析 通過(guò)能譜分析可見,結(jié)點(diǎn)處化學(xué)成分與基體不同,基體中主要合金元素為Cr,而結(jié)點(diǎn)中的主要合金元素為Mn,其成分對(duì)比見表2。結(jié)點(diǎn)化學(xué)成分中Cr含量明顯偏低,Mn含量偏高,Mn元素聚集造成結(jié)點(diǎn)的淬透性變高。相同條件下,結(jié)點(diǎn)物質(zhì)較容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,調(diào)質(zhì)回火轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w,與該軸基體的索氏體+鐵素體組織明顯存在差異。轉(zhuǎn)變組織的不同造成轉(zhuǎn)變后組織體積的差異,使結(jié)點(diǎn)處成為應(yīng)力集中點(diǎn),使用過(guò)程中該結(jié)點(diǎn)受沖擊載荷而發(fā)展成裂紋,裂紋沿結(jié)點(diǎn)擴(kuò)展到一定程度后發(fā)散,最終發(fā)生斷裂。
圖10 斷面的斷口形貌
分析可知,以下原因造成了該高速軸的脆性斷裂。
加工該高速軸所用的材料(40Cr)內(nèi)部有組織缺陷,即存在有鑲?cè)胛镔|(zhì),鑲?cè)胛镔|(zhì)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(wǎng)狀 鐵素體,鑲?cè)胛镔|(zhì)與基體之間有清晰界線。該缺陷導(dǎo)致基體形成了應(yīng)力集中,在上料作業(yè)的沖擊載荷作用下產(chǎn)生裂紋源并擴(kuò)展至斷裂。
(1)該軸熱處理工藝執(zhí)行質(zhì)量未達(dá)到工藝要求,造成材料顯微組織存在網(wǎng)狀鐵素體,且其徑向顯微組織從材料表層到心部,網(wǎng)狀鐵素體組織所占比例從6%上升到19%,從而導(dǎo)致其硬度從表層到心部不同,從276HBW10/3000下降到246HBW10/3000;材料物理性能沿徑向變化梯度過(guò)大,降低了材料承受沖擊載荷的能力。
(2)夾雜物較嚴(yán)重,在軸橫截面的1/4處達(dá)到了最嚴(yán)重的3級(jí)。夾雜物在交變應(yīng)力作用下,易誘發(fā)裂紋產(chǎn)生而導(dǎo)致軸失效。
(3)該材料缺陷點(diǎn)正好處于軸的受力面,加大了軸使用過(guò)程中發(fā)生裂斷的幾率。
表2 結(jié)點(diǎn)與基體區(qū)域成分對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)