减速箱高速轴断裂失效分析
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 |
下 |
0.35 |
0.20 |
0.50 |
≤0.035 |
0.80 |
— |
— |
余 |
|
|
上 |
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 |
余 |
|
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。