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事故背景

 

某單位購(gòu)置的泥漿泵已正常工作近50h，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15MPa，斷裂前未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。泥漿泵動(dòng)力端被動(dòng)軸材料為35CrMo合金鋼，由鋼錠經(jīng)鍛造后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理所制。

 

理化檢驗(yàn)

 

1、宏觀觀察

 

宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，該被動(dòng)軸直徑約為330mm，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

 

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。

 

表1 被動(dòng)軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))％

 

由表1可見，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)35CrMo合金鋼的要求。

 

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。

 

表2 被動(dòng)軸的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

 

對(duì)照GB/T 3077－2015«合金結(jié)構(gòu)鋼»標(biāo)準(zhǔn)中35CrMo軸(直徑大于150mm)淬火＋高溫回火力學(xué)性能指標(biāo)，可見被動(dòng)軸除了斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率符合GB/T 3077－2015對(duì)35CrMo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。

 

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。

 

圖2 被動(dòng)軸心部裂紋源區(qū)的SEM形貌

 

由圖2可見，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。

 

5、金相檢驗(yàn)

 

分別在被動(dòng)軸的表面、距表面30mm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。

 

圖3 被動(dòng)軸表面的顯微組織形貌

 

由圖3可見，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。

 

圖4 被動(dòng)軸距表面30mm處的顯微組織形貌

 

圖5 被動(dòng)軸心部的顯微組織形貌

 

由圖4和圖5可見，被動(dòng)軸距表面30mm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。

 

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，可見被動(dòng)軸心部存在大量夾雜物和疏松組織，如圖6所示。

 

圖6 被動(dòng)軸心部的SEM形貌

 

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。

圖7 被動(dòng)軸心部夾雜物能譜分析位置

 

表3 被動(dòng)軸心部夾雜物能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))％

 

可見夾雜物中有鋁、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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

建議通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)材料固溶時(shí)效保溫時(shí)間來(lái)減輕或消除條狀組織，以提高棒材橫向沖擊吸收能量的檢驗(yàn)合格率。

 

作者：高學(xué)平，高級(jí)工程師，山東大學(xué)