某泥漿泵35Cr Mo鋼被動軸斷裂失效分析

高學平

(山東大學 材料科學與工程學院 先進材料測試與制造平臺,濟南250061)

某單位購置的泥漿泵已正常工作近50 h,在一次常規作業過程中,其動力端被動軸突然發生斷裂,斷裂時泥漿泵的工作壓力為15 MPa,斷裂前未發現異常現象。泥漿泵動力端被動軸材料為35Cr Mo合金鋼,由鋼錠經鍛造后進行調質熱處理所制。為查明被動軸斷裂的原因,筆者對其進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

宏觀觀察發現,該被動軸直徑約為330 mm,斷口基本平齊且表面較粗糙,無明顯塑性變形,斷口放射狀裂紋擴散花紋明顯,由裂紋擴展方向可見斷裂源位于軸心,斷口裂紋由斷裂源沿圓周方向呈放射狀向被動軸近表面擴展,存在明顯的剪切唇擴展臺階,具有瞬時脆性斷裂特征,如圖1所示。

圖1 被動軸斷口宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of driven shaft fracture

1.2 化學成分分析

在斷裂的被動軸上取樣,采用DF-200 型電火花直讀光譜儀進行化學成分分析。由表1可見,被動軸的化學成分符合GB/T 3077－2015《合金結構鋼》對35Cr Mo合金鋼的要求。

表1 被動軸的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of driven shaft（mass fraction） %

1.3 力學性能測試

按照JB/T 5000.8－2007《重型機械通用技術條件 第8部分:鍛件》、GB/T 228.1－2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》和GB/T 229－2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》,在被動軸斷面距離表面1/3 半徑處取樣,采用CMT5105型電子萬能試驗機和JB-300B型沖擊試驗機分別對試樣進行室溫拉伸試驗和沖擊試驗,試驗結果如表2所示。對照GB/T 3077－2015《合金結構鋼》標準中35Cr Mo軸(直徑大于150 mm)淬火＋高溫回火力學性能指標,可見被動軸除了斷后伸長率、斷面收縮率符合GB/T 3077－2015對35Cr Mo鋼的要求之外,被動軸的抗拉強度、屈服強度和沖擊吸收能量均低于該標準的要求。

表2 被動軸的力學性能測試結果Tab.2 Mechanical properties test results of driven shaft

1.4 掃描電鏡分析

在被動軸心部裂紋源區(圖1中C位置)取樣,采用SU-70型場發射掃描電鏡(SEM)進行形貌觀察。由圖3可見,斷口存在大量葡萄樣枝晶組織,枝晶表面光滑且仍保持鑄造凝固收縮的原始狀態,高倍下可觀察到枝晶間存在大量孔隙;斷口有大量孔洞及疏松缺陷,孔洞內壁光滑,斷口具有解理斷裂的特征。

圖2 被動軸心部裂紋源區的SEM 形貌Fig.2 SEM morphology of crack source region in driven shaft center：a）at low magnification；b）at high magnification，grape-like dendrite；c）at high magnification，holes；d）at high magnification，loose defects

1.5 金相檢驗

分別在被動軸的表面、距表面30 mm 處和心部取樣(圖1的A,B,C位置處),試樣經鑲嵌、磨拋,采用體積分數為3%的硝酸酒精溶液浸蝕后,采用MA1001型金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織。由圖3可見,被動軸表面顯微組織為回火索氏體＋網狀及塊狀鐵素體。由圖4和圖5可見,被動軸距表面30 mm 處及心部的顯微組織均為珠光體＋粗大的網狀、針狀及塊狀鐵素體,并存在明顯的枝晶狀不均勻組織。

圖3 被動軸表面的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of driven shaft surface：a）tempered sostenitic＋reticulated ferrite；b）granular ferrite

圖4 被動軸距表面30 mm 處的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology at a distance of 30 mm from driven shaft surface：a）dendritic inhomogeneous structure；b）pearlite＋thick network，acicular and block ferrite

圖5 被動軸心部的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of driven shaft center：a）dendritic inhomogeneous structure；b）Pearlite＋thick network，acicular and block ferrite

1.6 夾雜物與疏松缺陷分析

在被動軸心部(圖1 中C 位置處)取樣,采用SU-70型場發射掃描電鏡進行形貌觀察,可見被動軸心部存在大量夾雜物和疏松組織,如圖6 所示。采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對夾雜物進行能譜分析,分析位置和分析結果分別如圖7和表3所示。可見夾雜物中有鋁、硫、鎂、鐵、錳、氧、碳、硅等元素,推測含有硫化錳、硫化鐵、氧化鋁、氧化鎂、硅酸鹽等。根據GB/T 10561－2005/ISO 4967:1998(E)《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》,對圖6a)中夾雜物進行評級,評級結果為D 類3.0級,夾雜物級別較高。被動軸心部還存在長度為20μm 以上的疏松缺陷,如圖6b)所示。

2 分析與討論

由宏觀觀察結果可知,裂紋源位于被動軸斷口心部,裂紋呈放射狀向四周擴展,斷口平齊且無塑性變形,具有瞬時脆性斷裂特征。由掃描電鏡分析結果可知,斷口心部裂紋源區存在大量的葡萄樣枝晶組織、孔隙和疏松缺陷,枝晶表面光滑,仍保持鑄造凝固收縮的原始狀態,枝晶組織和微孔疏松結構由鑄造時中心部鋼液最后凝固收縮形成。在后期的鍛造過程中,由于鍛壓變形不充分,沒有破碎充分消除該組織,大量保留了枝晶組織和孔隙結構,導致被動軸的組織致密性和均勻性不高,破壞和削弱了晶體間的聯系,顯著降低了被動軸的強度,同時枝晶組織和孔隙處產生應力集中,成為裂紋源[1-4]。

由金相檢驗、夾雜物和疏松缺陷分析結果可知,被動軸心部顯微組織不均勻,夾雜物級別較高,同時還存在疏松組織。夾雜物成分主要為硫化錳、硫化鐵、氧化鋁、氧化鎂、硅酸鹽等。由力學性能測試結果可知,被動軸的抗拉強度、屈服強度和沖擊吸收能量均低于標準值,這說明夾雜物和疏松組織割裂了基體,顯著降低了材料的抗拉強度、屈服強度和塑韌性,并引起應力集中,成為裂紋源[5-9]。

圖6 被動軸心部的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of driven shaft center：a）inclusion；b）loose defect

圖7 被動軸心部夾雜物能譜分析位置Fig.7 Energy spectrum analysis location of inclusions in driven shaft center

表3 被動軸心部夾雜物能譜分析結果(質量分數)Tab.3 Energy spectrum analysis results of inclusions in driven shaft center（mass fraction） %

3 結論及建議

泥漿泵動力端被動軸心部存在大量的枝晶組織、夾雜物與孔隙疏松等缺陷及不均勻組織,不僅降低了被動軸的力學性能,還顯著降低了該軸的有效承載面積。內部缺陷是被動軸在正常工作中發生過載脆性斷裂的主要原因。

上述缺陷是在不合理冶金和鍛造等制造工藝中產生的,建議嚴格控制被動軸的制造過程,從源頭提高冶金質量,降低夾雜物含量與尺寸;設置合理的鑄造工藝,減少鑄件內部疏松缺陷與枝晶組織;在被動軸鍛造成型工藝中充分消除鑄件殘留的枝晶組織;嚴格執行被動軸熱處理流程,避免出現網狀鐵素體等缺陷組織。