碳鋼軸鍛件的開裂與分析

太原重工大鍛件分公司 （山西 030024） 王 偉

太原重工大型鍛件研究所 （山西 030024） 胡運寶

通過解剖報廢碳鋼軸鍛件，采用化學(xué)成分檢測、高低倍微觀組織分析、掃描電鏡斷口分析、能量定性定量分析等手段，證實該碳鋼軸鍛件內(nèi)在質(zhì)量合格，腐蝕疲勞是鍛件開裂報廢的主要原因。

一、前言

碳鋼軸是電機驅(qū)動裝置的重要組成部分，在長期運行過程中容易出現(xiàn)斷裂事故。我公司為用戶生產(chǎn)2支軸鍛件，采用35A材料，安裝使用近2月后，發(fā)現(xiàn)1支軸出現(xiàn)開裂，裂紋主要分布在軸頸一側(cè)擋槽附近，同時在軸頸表面發(fā)現(xiàn)擦傷、掛瓦及浸蝕斑點，如圖1、圖2所示。為查找開裂原因，采取有效改進(jìn)措施，對軸鍛件采用化學(xué)成分檢測、高低倍微觀組織試驗分析、掃描電鏡斷口分析、能量定性定量分析等手段進(jìn)行了分析。

圖1 軸

圖2 軸頸表面缺陷

二、試驗過程及結(jié)果分析

1. 解剖位置

選擇缺陷部位分別截取徑向全截面低倍、斷口、微觀等試樣。

2. 化學(xué)成分檢測試驗

做基體材料化學(xué)成分試驗，結(jié)果表明，材質(zhì)成分符合35A碳鋼要求，具體成分見表1。

表1 解剖軸鍛件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3. 低倍試驗及斷口試驗分析

（1）做軸頸部位徑向截面低倍熱酸浸試驗，結(jié)果見表2。

表2 軸頸部位徑向截面低倍熱酸浸試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明，鍛件內(nèi)部致密，均勻性較好，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見缺陷，如圖3所示。

圖3 截面低倍試片

（2）將低倍試片沿中心打開，斷口形態(tài)為結(jié)晶狀，屬正火件正常斷口形態(tài)，鍛件質(zhì)量合格。

4. 顯微組織分析

（1）軸截面由表面至心部非金屬試驗結(jié)果見表3。

表3 軸截面由表面至心部非金屬試驗結(jié)果 （級）

試驗結(jié)果表明，A類硫化物夾雜較多，但在合格范圍內(nèi)，其他夾雜很少，如圖4、圖5所示，說明鋼純凈度符合要求。

圖4 表面夾雜

圖5 中部夾雜

（2）軸截面由表面至心部組織、晶粒度試驗結(jié)果見表4。

表4 軸截面由表面至心部組織、晶粒度試驗結(jié)果

顯微組織分析表明，軸截面組織為珠光體＋鐵素體，晶粒度小于5級，屬正火狀態(tài)正常組織，如圖6、圖7所示。同時，可見表面組織與基體相同，無其他異常組織。

圖6 外表面組織

圖7 中部組織

5. 裂紋顯微組織分析

微觀裂紋粗細(xì)不均，斷續(xù)曲折、開叉，有許多細(xì)小支裂紋及毛細(xì)裂紋，裂紋旁組織無明顯變化，裂紋穿晶擴展，裂紋旁發(fā)現(xiàn)有腐蝕現(xiàn)象，如圖8～圖11所示。

圖8 圓角部裂紋形貌

圖9 中部裂紋形貌

圖10 裂紋組織

圖11 裂紋旁組織

6. 掃描電鏡斷口分析

圓弧處斷口微區(qū)分析表明：開裂起源于表面，裂源區(qū)呈平滑狀無缺陷無應(yīng)力集中源，表面區(qū)域有腐蝕產(chǎn)物存在，不同裂紋交匯形成閃電臺階狀，擴展區(qū)主要圍繞裂源區(qū)四周放射性擴展，擴展區(qū)為準(zhǔn)解理波紋狀，如圖12~圖14所示。能譜分析（見圖15）結(jié)果顯示，裂源區(qū)含有較高O元素，腐蝕產(chǎn)物中含有Cl元素，腐蝕產(chǎn)物中Cl元素含量最高達(dá)4.29%，不同裂紋交匯形成閃電臺階狀，擴展區(qū)主要圍繞裂源區(qū)四周放射性擴展，擴展區(qū)為準(zhǔn)解理波紋狀，屬典型腐蝕疲勞開裂。腐蝕疲勞是重復(fù)或交變應(yīng)力與腐蝕性環(huán)境共同作用產(chǎn)生開裂的過程。

圖12 裂源區(qū)形貌

圖13 裂源區(qū)腐蝕產(chǎn)物

圖14 腐蝕裂紋

圖15 斷口元素分析圖譜

三、結(jié)語

（1）35A碳鋼軸，材料化學(xué)成分符合要求，鍛造質(zhì)量合格。

（2）軸頸表面多條裂紋最深已達(dá)軸頸中心區(qū)，裂紋起源于軸頸光滑精加工表面，屬典型腐蝕疲勞開裂。

（3）腐蝕疲勞是重復(fù)或交變應(yīng)力與腐蝕性環(huán)境共同作用產(chǎn)生開裂的過程。