磁粉探伤旋转支撑辊传动轴断裂的失效分析

　　某公司磁粉探伤旋转支撑辊(主动辊)的传动轴仅运行2h就发生横向断裂,断轴宏观形貌见图1(箭头所指部位为断裂端,另一半断在轴承中),断轴横截面断口形貌见图2,在断口上有一肉眼可见的较大光滑孔洞,孔洞的直径约6mm左右,整个横截面断口上有大量的二次裂纹,断口平齐无变形。该部件要求的技术指标:材质45#钢;热处理工艺调质处理;硬度HB220~250。为查清该传动轴早期断裂失效原因,避免此类事故再次发生,保证设备安全正常运行,为此对其进行了综合分析。

　　1　化学分析

　　在断轴的1/2半径部位取化学样进行成分分析,结果见表1。从分析结果看:有害元素S含量偏高,气体元素中残余H含量偏高。

　　2　金相分析

　　在断口的孔洞附近取样进行金相分析:组织为网状铁素体+片状珠光体,在网状铁素体上有大量沿晶分布的碎条状夹杂物(图3)。经能谱分析,晶界上的碎条状夹杂物是硫化锰(图4)。硫化物夹杂较多,达3级。按技术要求,传动轴的最终使用状态应为调质状态,组织应为回火索氏体,而断轴的组织为铁素体+珠光体,为锻轧状态组织,断轴的组织状态不符合技术要求。

　　3　硬度试验

　　在断轴横截面的外表面、1/2半径、中心部位各打3点布氏硬度,结果见表2。从试验结果看:各部位所测硬度值明显低于要求的技术指标。

　　4　断口分析

　　将带有光滑孔洞缺陷的断口样品在电镜下观察:孔洞中较光滑,没有发生氧化锈蚀现象,孔洞缺陷低倍形貌见图5。高倍观察:孔洞中间及周围断口形貌为波纹状,形貌见图6。整个断口面上有大量沿晶开裂的二次裂纹,低倍形貌见图7。

　　5　结论

　　钢中有害元素S含量和气体残余H含量偏高,其它元素含量正常。

　　断轴的硬度在HB167~177之间,明显低于要求的技术指标(HB220~250)。断轴的硬度偏低是由其组织状态决定的。

　　断轴基体中硫化物夹杂较多,达3级,且呈网状分布在晶界处。组织为铁素体+珠光体,为锻轧态组织。而技术要求该轴组织状态应为调质处理的回火索氏体。断轴的组织状态不符合技术要求。断轴横向断口上的孔洞缺陷内壁和周围的断口为波纹状形貌,其余断裂面上有大量沿晶分布的二次裂纹。从孔洞内壁波纹状形貌和整个断口的脆裂形貌判断:该断口为氢脆断口,孔洞缺陷为氢气泡缺陷。

　　综上所述:由于钢中有害气体元素H含量偏高(残余H含量达8·7PPm),导致钢中存在较大的氢气泡缺陷,破坏钢的致密性,减少钢的有效受力面积。另外,有害元素S含量偏高,造成钢中存在较多的硫化物夹杂,晶内硫化物的存在,相当于一些小裂纹分割基体,也将减少钢的有效受力面积;而晶界网状分布的硫化物,将破坏晶间结合力,降低晶界强度和塑性;同时由于硫化物的膨胀和收缩系数与钢基体的相差较大,使得硫化物与钢基体间存在一定的间隙,成为扑捉H原子的陷阱,那么在硫化物与钢基体的间隙部位将容纳大量的原子氢,当这些原子氢结合成分子氢后,体积要增大数倍甚至十几倍,造成钢的基体脆化,塑性和韧性大大降低。另外,传动轴未经调质处理,组织状态不佳,硬度偏低,诸多不利因素共同作用导致传动轴仅使用2h就发生横向脆性断裂。