某泥浆泵35Cr Mo钢被动轴断裂失效分析

高学平

(山东大学 材料科学与工程学院 先进材料测试与制造平台,济南250061)

某单位购置的泥浆泵已正常工作近50 h,在一次常规作业过程中,其动力端被动轴突然发生断裂,断裂时泥浆泵的工作压力为15 MPa,断裂前未发现异常现象。泥浆泵动力端被动轴材料为35Cr Mo合金钢,由钢锭经锻造后进行调质热处理所制。为查明被动轴断裂的原因,笔者对其进行了检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

宏观观察发现,该被动轴直径约为330 mm,断口基本平齐且表面较粗糙,无明显塑性变形,断口放射状裂纹扩散花纹明显,由裂纹扩展方向可见断裂源位于轴心,断口裂纹由断裂源沿圆周方向呈放射状向被动轴近表面扩展,存在明显的剪切唇扩展台阶,具有瞬时脆性断裂特征,如图1所示。

图1 被动轴断口宏观形貌Fig.1 Macro morphology of driven shaft fracture

1.2 化学成分分析

在断裂的被动轴上取样,采用DF-200 型电火花直读光谱仪进行化学成分分析。由表1可见,被动轴的化学成分符合GB/T 3077－2015《合金结构钢》对35Cr Mo合金钢的要求。

表1 被动轴的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of driven shaft（mass fraction） %

1.3 力学性能测试

按照JB/T 5000.8－2007《重型机械通用技术条件 第8部分:锻件》、GB/T 228.1－2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》和GB/T 229－2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》,在被动轴断面距离表面1/3 半径处取样,采用CMT5105型电子万能试验机和JB-300B型冲击试验机分别对试样进行室温拉伸试验和冲击试验,试验结果如表2所示。对照GB/T 3077－2015《合金结构钢》标准中35Cr Mo轴(直径大于150 mm)淬火＋高温回火力学性能指标,可见被动轴除了断后伸长率、断面收缩率符合GB/T 3077－2015对35Cr Mo钢的要求之外,被动轴的抗拉强度、屈服强度和冲击吸收能量均低于该标准的要求。

表2 被动轴的力学性能测试结果Tab.2 Mechanical properties test results of driven shaft

1.4 扫描电镜分析

在被动轴心部裂纹源区(图1中C位置)取样,采用SU-70型场发射扫描电镜(SEM)进行形貌观察。由图3可见,断口存在大量葡萄样枝晶组织,枝晶表面光滑且仍保持铸造凝固收缩的原始状态,高倍下可观察到枝晶间存在大量孔隙;断口有大量孔洞及疏松缺陷,孔洞内壁光滑,断口具有解理断裂的特征。

图2 被动轴心部裂纹源区的SEM 形貌Fig.2 SEM morphology of crack source region in driven shaft center：a）at low magnification；b）at high magnification，grape-like dendrite；c）at high magnification，holes；d）at high magnification，loose defects

1.5 金相检验

分别在被动轴的表面、距表面30 mm 处和心部取样(图1的A,B,C位置处),试样经镶嵌、磨抛,采用体积分数为3%的硝酸酒精溶液浸蚀后,采用MA1001型金相显微镜观察试样的显微组织。由图3可见,被动轴表面显微组织为回火索氏体＋网状及块状铁素体。由图4和图5可见,被动轴距表面30 mm 处及心部的显微组织均为珠光体＋粗大的网状、针状及块状铁素体,并存在明显的枝晶状不均匀组织。

图3 被动轴表面的显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology of driven shaft surface：a）tempered sostenitic＋reticulated ferrite；b）granular ferrite

图4 被动轴距表面30 mm 处的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology at a distance of 30 mm from driven shaft surface：a）dendritic inhomogeneous structure；b）pearlite＋thick network，acicular and block ferrite

图5 被动轴心部的显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of driven shaft center：a）dendritic inhomogeneous structure；b）Pearlite＋thick network，acicular and block ferrite

1.6 夹杂物与疏松缺陷分析

在被动轴心部(图1 中C 位置处)取样,采用SU-70型场发射扫描电镜进行形貌观察,可见被动轴心部存在大量夹杂物和疏松组织,如图6 所示。采用扫描电镜附带的能谱仪(EDS)对夹杂物进行能谱分析,分析位置和分析结果分别如图7和表3所示。可见夹杂物中有铝、硫、镁、铁、锰、氧、碳、硅等元素,推测含有硫化锰、硫化铁、氧化铝、氧化镁、硅酸盐等。根据GB/T 10561－2005/ISO 4967:1998(E)《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》,对图6a)中夹杂物进行评级,评级结果为D 类3.0级,夹杂物级别较高。被动轴心部还存在长度为20μm 以上的疏松缺陷,如图6b)所示。

2 分析与讨论

由宏观观察结果可知,裂纹源位于被动轴断口心部,裂纹呈放射状向四周扩展,断口平齐且无塑性变形,具有瞬时脆性断裂特征。由扫描电镜分析结果可知,断口心部裂纹源区存在大量的葡萄样枝晶组织、孔隙和疏松缺陷,枝晶表面光滑,仍保持铸造凝固收缩的原始状态,枝晶组织和微孔疏松结构由铸造时中心部钢液最后凝固收缩形成。在后期的锻造过程中,由于锻压变形不充分,没有破碎充分消除该组织,大量保留了枝晶组织和孔隙结构,导致被动轴的组织致密性和均匀性不高,破坏和削弱了晶体间的联系,显著降低了被动轴的强度,同时枝晶组织和孔隙处产生应力集中,成为裂纹源[1-4]。

由金相检验、夹杂物和疏松缺陷分析结果可知,被动轴心部显微组织不均匀,夹杂物级别较高,同时还存在疏松组织。夹杂物成分主要为硫化锰、硫化铁、氧化铝、氧化镁、硅酸盐等。由力学性能测试结果可知,被动轴的抗拉强度、屈服强度和冲击吸收能量均低于标准值,这说明夹杂物和疏松组织割裂了基体,显著降低了材料的抗拉强度、屈服强度和塑韧性,并引起应力集中,成为裂纹源[5-9]。

图6 被动轴心部的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of driven shaft center：a）inclusion；b）loose defect

图7 被动轴心部夹杂物能谱分析位置Fig.7 Energy spectrum analysis location of inclusions in driven shaft center

表3 被动轴心部夹杂物能谱分析结果(质量分数)Tab.3 Energy spectrum analysis results of inclusions in driven shaft center（mass fraction） %

3 结论及建议

泥浆泵动力端被动轴心部存在大量的枝晶组织、夹杂物与孔隙疏松等缺陷及不均匀组织,不仅降低了被动轴的力学性能,还显著降低了该轴的有效承载面积。内部缺陷是被动轴在正常工作中发生过载脆性断裂的主要原因。

上述缺陷是在不合理冶金和锻造等制造工艺中产生的,建议严格控制被动轴的制造过程,从源头提高冶金质量,降低夹杂物含量与尺寸;设置合理的铸造工艺,减少铸件内部疏松缺陷与枝晶组织;在被动轴锻造成型工艺中充分消除铸件残留的枝晶组织;严格执行被动轴热处理流程,避免出现网状铁素体等缺陷组织。