我公司煉鐵廠1號高爐于2014年某日發生上料主卷揚減速箱高速軸（40Cr）斷裂事故，導致高爐無計劃休風835min。在金相分析的基礎上，應用掃描電鏡（SEM）及其附件能譜儀（EDS）聯袂對斷軸進行定性定量分析后，找出導致該軸脆性斷裂的可能原因，對防止類似事故的發生有積極意義。

失效分析方法

在斷軸上截取全斷面制成光譜樣進行化學成分和硬度分析，根據圖紙要求的標準性能判斷所用材料的符合性。

對斷裂軸全截面進行清洗，在低倍率下觀察其宏觀形貌，從宏觀上找出斷裂的撕裂紋走向，從而判斷其斷裂的最初起源點；對斷裂源進行電鏡、金相等分析，找出導致其斷裂失效原因；對斷裂全截面的硬度與顯微組織進行分析，從而對失效原因做出綜合分析。

材料材質符合性判斷

韶鋼煉鐵廠1號高爐主卷揚機減速箱高速齒輪軸圖樣標示材質為40Cr調質處理，從化學成分和硬度檢測結果看，材料符合要求。

1.成分檢測在斷軸上截取全斷面制成光譜樣，隨機取3個點分析，成分實測值與標準成分區間值范圍對比完全吻合，見表1。

2.材料調質硬度

該齒輪軸圖樣要求材料調質后硬度255～286HBW。在斷軸上取樣檢測，結果為262～276HBW10/3000，符合要求。

減速箱高速軸齒斷失效分析

1.基體金相組織和硬度分析

韶鋼煉鐵廠1號高爐主卷揚機減速箱高速齒輪軸材質為調質40Cr，目標組織為回火索氏體。

（1）試樣表面基體組織與夾雜物情況在試樣靠近斷面20mm處取全截面試樣分析基體組織，選取試樣邊緣作為檢測點，檢測結果：金相組織（見圖1、圖2）為回火索氏體+網狀鐵素體（5.7%）；夾雜物（見圖3）評級為A2.5eD0.5級；硬度結果為276HBW10/3000。

圖1 邊緣組織（100×）       圖2邊緣組織（500×）           圖3 邊緣夾雜（100×）

（2）試樣徑向1/4處的組織與夾雜物情況在試樣靠近斷面20mm處取全截面試樣分析基體組織，選取試樣徑向1/4處作為檢測點，檢測結果：金相組織（見圖4、圖5）為回火索氏體+網狀鐵素體（16.2%）；夾雜物（見圖6）評級為A3.0eD0.5級；硬度結果為262HBW10/3000。

圖4  100×               圖5  500×                 圖6  100×

（3）試樣心部（徑向1/2處）的組織與夾雜物情況

在試樣靠近斷面20mm處取全截面試樣分析基體組織，選取試樣心部（徑向1/2處）處作為檢測點，檢測結果：金相組織（見如圖7、圖8）為回火索氏體+網狀鐵素體（18.7%）；夾雜物（見圖9）評級為A2.5eD0.5級；硬度結果為246HBW10/3000。

圖7  100×                圖8  500×              圖9  100×

（4）基體組織與硬度分析

從不同部位基體組織檢測結果說明：基體組織中存在鐵素體且其含量呈規律性變化，反映了該軸調質處理中淬火工藝執行質量未達工藝要求；基體中夾雜物較嚴重，進一步降低了該軸的性能。①鐵素體含量從軸表層到心部呈規律性變化，從6%上升到19%；而硬度從軸表層到心部也呈規律性變化，從276HBW10/3000下降到246HBW10/3000。②試樣橫截面組織及其均勻性較差。試樣組織為回火索氏體+鐵素體，鐵素體基本呈網狀，這樣的組織脆性大，裂紋容易沿晶界擴散。③夾雜物較嚴重，在軸橫截面的1/4處達到了最嚴重的3級。夾雜物在交變應力作用下，易誘發裂紋產生而導致軸失效。

2.查找裂紋源

（1）斷裂斷口宏觀分析，找出斷裂裂紋源

分析軸斷口形貌，從其橫截面撕裂方向（見圖10）初步判斷該軸斷口的裂紋源為試樣邊緣結點處（近表面），該結點為長條橢圓形，裂紋向外擴展，見圖11。觀察可見，此結點顏色與底部基底顏色不一致，結點顏色較亮白，基底顏色深，帶黑紅；結點中間有細小裂紋。

圖10  斷面的斷口形貌

圖11 計算機處理后的裂紋源示意

（2）電鏡形貌分析，找出裂紋源

對圖11中疑為裂紋源的結點進行電鏡掃描，發現該結點與基體呈鑲嵌形態，且與基體間有裂紋（見圖12），進一步斷定該結點為鑲入物，就是裂紋源。對該結點做細致觀察，確認凹坑處為裂紋源，微觀形貌為河流狀花紋（見圖13、圖14），判斷該軸為脆性斷裂。

圖12 、 圖13 、 圖14  疑似裂紋源

3.確認裂紋源

（1）裂紋源處的組織試樣磨制完成后經腐蝕發現：

①結點與其周圍（基體）組織顏色不一致。

②結點周圍（基體）組織為回火索氏體+網狀鐵素體，與基體組織一致；而結點處的組織為單純索氏體組織。

③基體與結點之間有裂紋，裂紋位于軸表面結點底部，見圖15到圖18。

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