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1、开卷机轴断裂的失效分析Failure Analysis of a Shaft of a Decoiler 摘要通过扫描电镜断口、成分分析、金相分析和硬度测试等方法，对热轧平整线开卷机轴的失效原因进行了分析。结果显示该开卷机轴的断裂为准解理断裂。轴的硬度能够达到设计要求。但在淬透性和强韧性方面，代用钢42CrMo比设计要求选用的40CrNiMo差。裂纹源是由应力集中、表面不平整和材料强韧性不够等综合因素引起。心部未淬透组织加速了裂纹的扩展速度。关键词：准解理；淬透性；裂纹源；应力集中AbstractFailure of a shaft of a decoiler in hot pinch rol
2、ling line has been analyzed by scanning electron microscopy, chemical composition analysis, metallographic analysis and hardness test. The result shows that fracture mode of the shaft is quasi-cleavage. The hardness of the shaft can meet design requrements. In aspects of hardenability, strength and
3、toughness, substitute steel 42CrMo is poorer than 40CrNiMo chosed according to design requrements. Crack source is induced by composite factors of stress concentration, surface irregularity and lack of strength and toughness. Non hardening in core can accelerate rate of cack propagation.Key Words: q
4、uasi-cleavage; hardenability; crack source; stress concentration 1 前言某热轧平整线开卷机轴在使用了一年三个月后发生断裂。断裂面是从180至200的台阶处（如图1的R2处）进入200后断开的，位置如图1所示。其断口宏观照片见图2。 图1 断裂面位置的示意图 图2 断口的宏观照片开卷机的轴不是易损更换件，出现断裂的情况不仅造成比较大的直接经济损失，而且对生产的正常进行也有很大的影响。本工作从化学成分、断口、显微组织和性能等方面，对该轴产生断裂的原因进行分析，并提出改进的意见，供生产厂家参考。2 材料及实验方法该开卷机的轴采用42C
5、rMo钢制造。经测定其化学成分如表1所示。表1 制造开卷机轴的42CrMo的化学成分( %wt)CSiMnPSCrMo0.470.240.620.0190.0051.000.17表1中的成分除碳含量稍高以外，其它都能满足42CrMo的化学成分要求。另外需要说明的是，按设计图纸，该轴要求选用40CrNiMo钢。而实际上选择了42CrMo进行代用。本失效分析的主要实验方法为：断口观察采用扫描电子显微镜；金相组织观察采用光学金相显微镜，腐蚀剂为4%硝酸酒精；硬度测试采用布氏硬度计。3 实验结果3.1 断口观察断口的宏观照片如图3所示。从断口的宏观形貌特征和整个断面的受力情况分析，可以判断图3中断口的
6、左下角为裂纹源位置。图3 断口的宏观形貌从图3中的裂纹源至最后断裂处，将断口切成七块，依次编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#和7#。图4为1# 6#试块的断口微观形貌。图中六张图的断口微观形貌特征都具有准解理刻面，为准解理断裂1。但准解理面之间的撕裂脊线有明显不同：位于断口中央的3#和4#图的撕裂脊线塑性变形大，因此断口中央的准解理断裂伴随较大的塑性变形；而位于断口边缘的1#和6#图的撕裂脊线塑性变形很小，说明断口边缘的准解理断裂伴随较小的塑性变形。在3#图中还出现了明显的二次裂纹。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)图4 1# 6#试块的断口微观形貌(a)1#、(b)2#、
7、(c)3#、(d)4#、(e)5#、(f)6#对断口裂纹源处的边缘进行了微观形貌观察，发现其侧面有明显的机加工刀痕，如图5所示。沿着刀痕方向在断面上留下的凸起就是断口最初的裂纹源，如图5的左图所示。图5的右图是在侧面存在的沿着刀痕方向的裂缝，是容易形成裂纹源的地方。 (a) (b)图5 裂纹源边缘处侧面的微观形貌(a) 凸起状裂纹源 (b) 侧面的裂缝3.2 显微组织观察对从断口的边缘至中央各处的金相显微组织进行了观察。位于断口中央的3#的显微组织如图6所示，其主要为屈氏体和铁素体。图7是断口边缘区1#的显微组织，可以看出是回火索氏体组织。 图6 位于断口中央的显微组织 图7 位于断口边缘区的
8、显微组织3.3 硬度测试1# 7#试块布氏硬度的测试结果如表2所示。从表2中可以看出各处的布氏硬度相差不大，但边缘处的比中央处的稍高。表2 1# 7#试块布氏硬度的测试结果1#2#3#4#5#6#7#HB267HB264HB266HB257HB254HB276HB2664 实验结果分析讨论该开卷机轴的断裂为准解理断裂。这是因为尽管其经过调质处理，具有较好的塑性和韧性，但其工作时受力复杂，断裂面处的应力状态软性系数较低，故呈现准解理断裂。实验结果显示，轴的硬度能够达到设计图纸HB240 270的要求。轴的表层组织为回火索氏体，组织均匀，具有较高的强度，准解理断裂时伴随较小的塑性变形。从硬度看，要
9、比心部的稍高。而心部在淬火时没有淬透，为屈氏体和铁素体组织，组织不均匀，准解理断裂时伴随的较大塑性变形是由软的铁素体所致。该轴所选择代用的42CrMo钢与设计图纸要求选用的40CrNiMo钢相比，含碳量较高，调质处理后的硬度容易达到性能要求。但42CrMo的淬透性和回火稳定性都要比40CrNiMo低。根据资料2显示：同为540回火，40CrNiMo的s为1160MPa、b为1240MPa、HB为360；而42CrMo的s为684MPa、b为949MPa、HB为277。显然，两者的强度和硬度都相差很大。为达到硬度要求，42CrMo只能选择在540回火，而40CrNiMo可选择在稍高的温度进行回火
10、，以改善其塑性和韧性，有利于在这种硬的应力状态下工作时材料强度的提高。裂纹源位于从180过渡至200的台阶处，该处的R2圆弧过渡尺寸太小，易产生较大的应力集中。然而该处需安装轴承，受此装配要求的限制，过渡尺寸不能加大。但检查发现：该失效轴加工后的圆弧过渡R2没有得到保证，实际的圆弧过渡不到 R1，这就大大增大了此处的应力集中系数。加之该处在机加工时留下较深刀痕的共同作用，最终导致了该处的裂纹萌发。随着裂纹向轴内的扩展，应力不断提高。至心部处，由于屈氏体和铁素体组织强度较低，伴随着少量二次裂纹的产生，最终导致了轴的快速断裂。5 结论及改进意见5.1 结论1）该开卷机轴的断裂为准解理断裂。其断口中
11、央的撕裂脊线塑性变形较大，而断口边缘的准解理断裂伴随较小的塑性变形。2）轴的硬度能够达到设计图纸的要求。但在淬透性和调质处理后的强韧性方面，代用钢42CrMo比设计要求选用的40CrNiMo差。3）裂纹源是由应力集中、表面不平整和材料强韧性不够等综合因素引起。心部未淬透组织加速了裂纹的扩展速度。5.2改进意见1）提高所选材料的强韧性，以改善准解理断裂的状况。建议选用40CrNiMo钢，一方面可以可高淬透性，保证心部的强度。另一方面，通过优化调质处理工艺，在满足硬度要求的前提下，使其强韧性得到提高。2）在机加工时，保证从180至200的台阶处圆弧过渡R2的要求，以降低该处的应力集中系数，缓解裂纹源的产生。并提高该处的表面粗糙度，以免留下的加工刀痕促发裂纹源的产生。参考文献：1 刘正义 等. 机械装备失效分析图谱 M. 广州：广东科技出版社. 19902 胡志忠. 钢铁及其热处理曲线手册 M. 北京：国防工业出版社. 1986 5
