失效案例分享......
材料热处理工程师 材料及热处理是中国制造做专、做精、做强的短板之一，材料是制造业的基础，热处理是制造业的关键，弘扬“工匠精神”，共同提升中国制造核心竞争力。113篇原创内容公众号哈喽，各位小伙伴们大家好，又是两条经典的失效分析案例分享给大家，全是干货，快点拿好小本本记上吧，别忘了关注无忧金相公众号哦！案例一：高炉主卷扬机减速箱高速轴（40Cr）断裂分析高炉主卷扬机减速箱高速轴（40Cr）发生脆性断裂事故，导致高炉无计划休风835min。为找出导致该轴发生脆性断裂的失效原因，在金相分析的基础上，应用扫描电镜（SEM）及其附件能谱仪（EDS）联袂对断轴进行了定性定量分析，得出了相应的结果，对防止类似事故的发生起到了十分积极的作用。
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。
材料材质符合性判定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CSiMnPSCrNiCuTe标准下0.350.200.50≤0.0350.80——余上0.450.400.801.10——实测0.3630.3960.3780.2180.2220.2230.6950.6680.6710.0080.0080.0100.0190.0130.0140.9750.9950.9880.0270.0300.0290.0230.0220.024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该高速齿轮轴材质为40Cr，经过调质处理后，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SiCrMnTe基体0.671.15—98.18结点0.54—0.9898.48
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结论由以上分析可知，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。汽车前后桥差检总成属汽车的核心部件，其中的主被动齿轮在汽车传动中又起着关键的作用，主动齿轮轴的断裂属齿轮失效的最严重形式。本文所述齿轮花键轴在行驶过程中发生了断裂，针对此问题进行分析。案例二：主动锥齿轮轴花键断裂分析1.失效齿轮轴情况该齿轮轴为已经断裂的SUV汽车主动锥齿轮轴，断口保存完好，其表面未见明显锈蚀，以下简称为“锥齿轮”。据4S店反映：该锥齿轮在车行驶五万公里时发生断裂（见图1、图2），其材质为20CrMnTiH，规格为SUV越野车型；锥齿轮的主要生产工序：锻造→正火→机械加工→搓花键→切齿→渗碳淬火→低温回火→喷丸→螺纹退火。
2.理化检验情况（1）断口宏观检验齿轮轴断口的宏观形貌见图2，断裂发生在齿轮轴花键与光杆连接处的过渡部位。断口与轴向垂直，断面较平坦，无明显宏观塑性变形及异常机械损伤痕迹。初步观察判断断裂起源于齿轮轴花键表面的渗层位置。（2）化学成分检验对该齿轮轴进行化学成分检验，检验结果如表1所示。可见，该齿轮轴的化学成分符合GB/T 5216—2004中20CrMnTiH优质合金结构钢的要求。表1 化学成分检验值（质量分数）（%）检验项目CSiMnPSCrTiNiCu标准值0.17～0.230.17～0.370.80～1.15≤0.035≤0.0351.00～1.350.04～0.10≤0.30≤0.30检验值0.210.241.020.0120.0301.210.0600.0350.10（3）硬度及硬化层深度检验对该失效的齿轮轴进行硬度及硬化层深度进行检验，结果如表2所示。可知，该齿轮轴表面有效硬化层深度、表面硬度以及心部硬度均符合设计要求。表2 硬度检验值检验项目标准值检验值表面硬度HRC58～6463.7，64.2，63.8．平均：63.9心部硬度HRC32～4532.1，33.2，32.8．平均：32.7维氏硬度（HV0.2）距表面距离/mm0.150.250.350.450.550.650.750.850.951.051.15817798814795791807773655652584549备注有效硬化层深度（550 HV位置）标准值：0.9～1.3mm（4）宏观低倍组织及其表面质量检验取齿轮轴的横截面进行低倍组织检验，结果如表3、图3所示。由表3中检验值可知齿轮轴的低倍组织符合设计要求。对断口附近表面进行观察，表面光洁，未见有明显异常（见图4）。对齿轮轴花键与轴之间的圆弧曲率半径进行测量，未见异常。表3 低倍组织的检验值检验项目低倍组织缺陷名称标准值检验值单项判定低倍组织缺陷级别（级）锭型偏析≤30合格缩孔残余钢材的横截面酸浸低倍组织试片上不应有目视可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、分层、翻皮及白点0合格翻皮0合格白点0合格轴心晶间裂缝0合格内部气泡无合格异金属夹杂无合格非金属夹杂无合格备注低倍组织缺陷标准值按GB/T5216—2014给出
（5）非金属夹杂物检验取该失效齿轮轴的断口处的纵截面，并对该处纵截面的进行非金属夹杂物的检验，检验结果如表4所示。由表4的检验值可知，该齿轮轴的非金属夹杂物符合齿轮设计要求。表4非金属夹杂物检验值检验项目标准值检验值单项判定非金属夹杂物（级）A粗系≤2.51合格细系≤3.02.5合格B粗系≤2.50.5合格细系≤3.00合格C粗系≤2.00合格细系≤2.00.5合格D粗系≤2.00.5合格细系≤2.01合格DS—0.5—备注非金属夹杂物合格级别按GB/T 5216—2004中优质合金结构钢给出（6）显微组织检验取齿轮轴花键非断口处横截面进行显微组织检验，检验结果：齿轮轴花键边缘渗碳层组织基本为4级回火马氏体，为正常的渗碳淬硬层组织（见图5）；但在距齿轮轴花键边缘约0.02mm范围内发现有沿着晶界分布的灰色组织（未浸蚀前），浸蚀后灰色组织整体为黑色，深度约0.03mm，光学显微镜已经不能分辨其细微形貌（见图6、图7）；在多数花键齿槽发现有裂纹（见图8）。齿轮轴花键的心部（非渗层区域）组织为上贝氏体+回火马氏体+少量铁素体，其中回火马氏体为强化心部性能的理想组织（见图9）。
（7）断口扫描电镜微观检验 用扫描电镜对断口进行微观分析，可见齿轮轴开裂于花键根部淬硬层表面，微观形貌主要为脆性沿晶开裂（见图10～图12）。并分别向顺时针方向以及逆时针方向疲劳扩展，微观形貌为脆性的沿晶+解理开裂，扩展过程中在部分其他齿根处也不断萌生二次裂纹源（见图13～图16）。
为进一步判断黑色组织的具体形态，利用扫描电镜进行高倍观察，发现该黑色组织不是淬火的马氏体组织，而是上贝氏体、托氏体等非正常淬火组织（见图17~图20），该组织的存在会影响齿轮轴工作过程的疲劳性能。心部微观形貌主要以解理开裂，并伴随有二次裂纹，在图2花键下边缘发现有少量塑性韧窝形貌（见图21~图23）。
3.综合分析综上检验结果分析，本齿轮轴断裂部位的化学成分、低倍组织、非金属夹杂物和带状组织，符合有关GB3077—1999和标准GB/T5216—2014的技术条件的要求。由于齿轮轴断裂处渗层组织及渗层深度和表层硬度和心部硬度均符合主机厂技术规定。表明此齿轮具有较好的金相组织和较高的表面强度，这些均有助于提高齿轮的接触强度、弯曲强度和耐磨性，从而也说明齿轮的热处理工艺（渗碳、淬火+回火）基本上是正常的。通过对断口处进行从宏观观察和微观检验，此花键轴断裂属于接触疲劳失效。通过金相检验发现，在轴与花键交接的齿根处有异常的组织缺陷，发现该黑色组织不是淬火+回火后的高碳马氏体组织，而是上贝氏体、托氏体等非正常淬火组织（见图17~图20），也就是说在该处有非马氏体的存在，该非马层的深度达0.03mm，超出了标准GB/T8539—2000对齿轮非马氏体层要求为≤0.02mm的要求。非马体组织是由内氧化的贫合金化元素导致而形成。一旦形成此类组织，其后果是降低最表面硬度（一般指≤0.05mm处的硬度）和耐磨性以及疲劳极限，并由晶粒边界或氧化物的应力集中区域，萌生细微裂纹，并向更深的地方延伸。4.结语该主动锥齿轮花键断裂主要是由于渗层表面黑色组织（非马氏体组织过深）缺陷，同时出现了上贝氏体和托氏体组织引起的疲劳失效。螺旋伞齿轮是汽车后桥主减速器的重要零件之一，在汽车的传动过程中起着承受载荷的重要作用。随着汽车产量的逐年上升，螺旋伞齿轮的需求量也逐年增加。但用于该类齿轮加工的质量要求也越来越高。对于带有渐开线花键的弧齿锥齿轮轴，由于该齿轮轴在传递扭矩时，主要是靠花键来传递的，所以花键所承受的力矩往往是最大的，同时花键在传递扭矩时既要承受扭转力，又要承受齿轮在冲击时的剪切力。所以在对花键进行加工和热处理时要重视花键齿根处的热处理质量，最好不要出现非马氏体组织，对于气氛炉处理的齿轮，此时要注意花键的冷却不要太慢，避免出现非马氏体组织，尽可能减少表面的内氧化，非马组织必须控制在0.02mm以内。对重载齿轮为防止疲劳断裂（一般从齿根非马氏体组织萌生裂纹源而扩展）齿根非马尽可能控制在0.03mm以内,越少越好，但绝不允许黑带的存在。
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