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輥軸斷裂原因分析討論

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輥軸斷裂原因分析討論

發布日期:2017-11-24 作者: 點擊:

輥軸廠家的輥軸斷裂源區位於斷口內部的凹坑區域,斷口宏觀形貌均為小刻麵特征,微觀形貌以解理斷裂特征為主,呈典型的脆性解理斷裂特征。

輥軸廠家的輥軸硬度檢測值符合技術要求,但衝擊韌性明顯偏低,即輥軸材質處於脆性狀態。輥軸基體常規化學成分符合相關技術要求,雖然氫的質量分數在(1.3~1.7)×10-6範圍內,但在斷口及附近區域分布非常不均勻,局部區域高達11×10-6,說明存在著氫含量嚴重偏高現象。

通過殘餘應力檢測發現,輥軸軸線方向存在殘餘拉應力,應力值為40~50 MPa。同時,軸向殘餘應力測定樣上也存在著明顯的微裂紋,說明內應力已有所釋放,釋放前的實際應力高於40~50 MPa。另外,沿微裂紋製備的斷口上存在類似“魚眼”狀特征,“魚眼”周邊呈拉應力形式的韌窩狀特征,可進一步說明輥軸軸向曾存在能夠促使裂紋擴展的內應力。需要指出的是,“魚眼”中心存在環繞晶粒的顯微氣孔,內部含有Mn,S和Ti等夾雜物,說明輥軸在冶煉澆注過程中未能有效除掉氫等氣體和夾雜物等,形成了氣體與夾雜物聚集的顯微氣孔缺陷。這些顯微氣孔的存在往往為氫的聚集提供了有利場所,並且在經曆了鍛造後,由於輥軸整體壓縮而進一步加劇了氫的聚集程度。

通過對輥軸基體取樣進行去氫退火試驗研究發現:當退火溫度升高到840 ℃,基體顯微組織和斷裂性質無實質變化,但氫的質量分數從(1.3~1.7)×10-6降至(0.1~0.2)×10-6,衝擊韌性明顯得到提升。可見,有效的去氫退火工藝會促使氫從基體晶體結構中釋放出來,使輥軸材質韌性有所改善。說明固溶在基體中的氫一方麵降低了原子鍵合力,當降低到與局部應力相當時,鍵合遭到破壞,便發生解理破斷;另一方麵固溶氫容易與位錯交互作用使位錯被釘紮,滑移困難、基體變脆,在低應力作用下發生開裂。也就是固溶在基體中的氫對輥軸的脆性解理開裂也起到一定的促進作用。

綜上所述,斷裂輥軸發生了氫致脆性解理開裂,即氫脆。其中,氫一方麵存在於冶金缺陷等部位,另一方麵固溶於基體晶體結構中。輥軸冶煉澆注工藝的控製不當導致了氫殘留在輥軸中且含量分布很不均勻,局部區域偏聚含量非常高,鍛造又進一步加劇了氫的聚集程度。而在鍛造和熱處理階段,都會產生殘餘內應力,即輥軸開裂之前其內部已經存在能夠誘發氫脆產生的拉應力。這樣,氫原子在一定內應力的作用下向氣孔、微裂紋等顯微缺陷部位發生擴散聚集,之後由原子合為分子,在局部區域高度富集,產生巨大的體積膨脹效應,引起很高的內部壓力,再加上固溶氫已使基體韌性降低、斷裂強度下降,進而導致輥軸的最終脆性開裂。

由於氫的聚集過程需要時間,所以輥軸發生滯後斷裂,並且斷裂時沒有預兆,也無宏觀塑性變形。又由於巨大體積膨脹效應,所以出現了輥軸軸頭崩出很遠的現象,屬於危險性較高的斷裂。

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