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可能原因，對防止類似事故的發(fā)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(qū)間值范圍對比完全吻合，見表1。
表1 化學成分（質量分數(shù)） （%）
元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | Te | |
標準 | 下 | 0.35 | 0.20 | 0.50 | ≤0.035 | 0.80 | — | — | 余 | |
上 | 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 | 余 | |
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(guī)律性變化，反映了該軸調質處理中淬火工藝執(zhí)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(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(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。
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(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(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。
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(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，結點物質較容易轉變?yōu)轳R氏體，調質回火轉變?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(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。
表2 結點與基體區(qū)域成分對比表（質量分數(shù)）（%）
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(yè)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(zhí)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(fā)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(fā)生裂斷的幾率。
作者：陳雪發(fā)，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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