減速箱高速軸斷裂失效分析

陳雪發(fā)，林晏民，劉學文

我公司煉鐵廠1號高爐于2014年某日發(fā)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(lián)袂對斷軸進行定性定量分析后，找出導致該軸脆性斷裂的原因，對防止類似事故的發(fā)生有積極意義。

一、對減速箱高速軸斷裂失效分析

在斷軸上截取全斷面制成光譜試樣進行化學成分和硬度分析，根據(jù)圖樣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的原因；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。

二、材質(zhì)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(zhì)為40Cr調(diào)質(zhì)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試樣，隨機取3個點分析，成分實測值與標準成分區(qū)間值范圍對比完全吻合，見表1。

表1 化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

2. 材料調(diào)質(zhì)硬度

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，結果為262～276HBW10/3000，符合要求。

三、減速箱高速軸斷失效分析內(nèi)容及討論

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(zhì)為調(diào)質(zhì)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(wǎng)狀鐵素體（5.7%）；夾雜物（見圖3）評級為A2.5eD0.5級；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處作為檢測點，檢測結果：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）評級為A3.0eD0.5級；硬度結果為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）處作為檢測點，檢測結果：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）評級為A2.5eD0.5級；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結果說明：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(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(fā)裂紋產(chǎn)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。

（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(fā)現(xiàn)該結點與基體呈鑲嵌形態(tài)，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。

3. 確認裂紋源

（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(wǎng)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，如圖15～圖18所示。

（2）區(qū)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。

（2）結點內(nèi)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。

（3）區(qū)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(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，使結點處成為應力集中點，使用過程中該結點受沖擊載荷而發(fā)展成裂紋，裂紋沿結點擴展到一定程度后發(fā)散，最終發(fā)生斷裂。

圖10 斷面的斷口形貌

四、結語

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(nèi)部有組織缺陷，即存在有鑲入物質(zhì)，鑲入物質(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，鑲入物質(zhì)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(yè)的沖擊載荷作用下產(chǎn)生裂紋源并擴展至斷裂。

2. 次要原因

（1）該軸熱處理工藝執(zhí)行質(zhì)量未達到工藝要求，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(fā)裂紋產(chǎn)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(fā)生裂斷的幾率。

表2 結點與基體區(qū)域成分對比（質(zhì)量分數(shù)） （%）