高學(xué)平

(山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 先進(jìn)材料測(cè)試與制造平臺(tái),濟(jì)南250061)

某單位購(gòu)置的泥漿泵已正常工作近50 h,在一次常規(guī)作業(yè)過(guò)程中,其動(dòng)力端被動(dòng)軸突然發(fā)生斷裂,斷裂時(shí)泥漿泵的工作壓力為15 MPa,斷裂前未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。泥漿泵動(dòng)力端被動(dòng)軸材料為35Cr Mo合金鋼,由鋼錠經(jīng)鍛造后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理所制。為查明被動(dòng)軸斷裂的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

宏觀觀察發(fā)現(xiàn),該被動(dòng)軸直徑約為330 mm,斷口基本平齊且表面較粗糙,無(wú)明顯塑性變形,斷口放射狀裂紋擴(kuò)散花紋明顯,由裂紋擴(kuò)展方向可見(jiàn)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(dòng)軸近表面擴(kuò)展,存在明顯的剪切唇擴(kuò)展臺(tái)階,具有瞬時(shí)脆性斷裂特征,如圖1所示。

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

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂的被動(dòng)軸上取樣,采用DF-200 型電火花直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可見(jiàn),被動(dòng)軸的化學(xué)成分符合GB/T 3077－2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)35Cr Mo合金鋼的要求。

表1 被動(dòng)軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of driven shaft（mass fraction） %

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

按照J(rèn)B/T 5000.8－2007《重型機(jī)械通用技術(shù)條件 第8部分:鍛件》、GB/T 228.1－2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 229－2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》,在被動(dòng)軸斷面距離表面1/3 半徑處取樣,采用CMT5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和JB-300B型沖擊試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。對(duì)照GB/T 3077－2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中35Cr Mo軸(直徑大于150 mm)淬火＋高溫回火力學(xué)性能指標(biāo),可見(jiàn)被動(dòng)軸除了斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率符合GB/T 3077－2015對(duì)35Cr Mo鋼的要求之外,被動(dòng)軸的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和沖擊吸收能量均低于該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 被動(dòng)軸的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Mechanical properties test results of driven shaft

1.4 掃描電鏡分析

在被動(dòng)軸心部裂紋源區(qū)(圖1中C位置)取樣,采用SU-70型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)進(jìn)行形貌觀察。由圖3可見(jiàn),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(tài),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(nèi)壁光滑,斷口具有解理斷裂的特征。

圖2 被動(dòng)軸心部裂紋源區(qū)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(yàn)

分別在被動(dòng)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(jīng)鑲嵌、磨拋,采用體積分?jǐn)?shù)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(jiàn),被動(dòng)軸表面顯微組織為回火索氏體＋網(wǎng)狀及塊狀鐵素體。由圖4和圖5可見(jiàn),被動(dòng)軸距表面30 mm 處及心部的顯微組織均為珠光體＋粗大的網(wǎng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)軸心部(圖1 中C 位置處)取樣,采用SU-70型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行形貌觀察,可見(jiàn)被動(dòng)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(duì)夾雜物進(jìn)行能譜分析,分析位置和分析結(jié)果分別如圖7和表3所示?？梢?jiàn)夾雜物中有鋁、硫、鎂、鐵、錳、氧、碳、硅等元素,推測(cè)含有硫化錳、硫化鐵、氧化鋁、氧化鎂、硅酸鹽等。根據(jù)GB/T 10561－2005/ISO 4967:1998(E)《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》,對(duì)圖6a)中夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí),評(píng)級(jí)結(jié)果為D 類(lèi)3.0級(jí),夾雜物級(jí)別較高。被動(dòng)軸心部還存在長(zhǎng)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(jié)果可知,裂紋源位于被動(dòng)軸斷口心部,裂紋呈放射狀向四周擴(kuò)展,斷口平齊且無(wú)塑性變形,具有瞬時(shí)脆性斷裂特征。由掃描電鏡分析結(jié)果可知,斷口心部裂紋源區(qū)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(tài),枝晶組織和微孔疏松結(jié)構(gòu)由鑄造時(shí)中心部鋼液最后凝固收縮形成。在后期的鍛造過(guò)程中,由于鍛壓變形不充分,沒(méi)有破碎充分消除該組織,大量保留了枝晶組織和孔隙結(jié)構(gòu),導(dǎo)致被動(dòng)軸的組織致密性和均勻性不高,破壞和削弱了晶體間的聯(lián)系,顯著降低了被動(dòng)軸的強(qiáng)度,同時(shí)枝晶組織和孔隙處產(chǎn)生應(yīng)力集中,成為裂紋源[1-4]。

由金相檢驗(yàn)、夾雜物和疏松缺陷分析結(jié)果可知,被動(dòng)軸心部顯微組織不均勻,夾雜物級(jí)別較高,同時(shí)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(xué)性能測(cè)試結(jié)果可知,被動(dòng)軸的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和沖擊吸收能量均低于標(biāo)準(zhǔn)值,這說(shuō)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和塑韌性,并引起應(yīng)力集中,成為裂紋源[5-9]。

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

圖7 被動(dòng)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(dòng)軸心部夾雜物能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 Energy spectrum analysis results of inclusions in driven shaft center（mass fraction） %

3 結(jié)論及建議

泥漿泵動(dòng)力端被動(dòng)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(dòng)軸的力學(xué)性能,還顯著降低了該軸的有效承載面積。內(nèi)部缺陷是被動(dòng)軸在正常工作中發(fā)生過(guò)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(chǎn)生的,建議嚴(yán)格控制被動(dòng)軸的制造過(guò)程,從源頭提高冶金質(zhì)量,降低夾雜物含量與尺寸;設(shè)置合理的鑄造工藝,減少鑄件內(nèi)部疏松缺陷與枝晶組織;在被動(dòng)軸鍛造成型工藝中充分消除鑄件殘留的枝晶組織;嚴(yán)格執(zhí)行被動(dòng)軸熱處理流程,避免出現(xiàn)網(wǎng)狀鐵素體等缺陷組織。