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磁粉探伤旋转支撑辊传动轴断裂的失效分析
宁 玫，严 峻，李志群
(天津钢管集团有限公司技术中心，天津300301)
某公司磁粉探伤旋转支撑辊(主动辊)
的传动轴仅运行2h
就发生横向断裂，断轴宏观形貌见图1(箭头所指部位为断裂端，另一半断在轴承中)
，断轴横截面断口形貌见图2
，在断口上有一肉眼可见的较大光滑孔洞，孔洞的直径约6mm
左右，整个横截面断口上有大量的二次裂纹，断口平齐无变形。该部件要求的技术指标:材质45
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钢;热处理工艺调质处理;硬度HB220～250。为查清该传动轴早期断裂失效原因，避免此类事故再次发生，保证设备安全正常运行，为此对其进行了综合分析。
图1
断裂传动轴宏观形貌。
图2
断裂传动轴横截面断口宏观形貌。
1
化学分析
在断轴的1P2
半径部位取化学样进行成分分析，结果见表1。从分析结果看:有害元素S
含量偏高，气体元素中残余H
含量偏高。
2
金相分析
在断口的孔洞附近取样进行金相分析:组织为网状铁素体+
片状珠光体，在网状铁素体上有大量沿晶分布的碎条状夹杂物(图3)
。经能谱分析，晶界上的碎条状夹杂物是硫化锰(图4)
。硫化物夹杂较多，达3
级。按技术要求，传动轴的最终使用状态应为调质状态，组织应为回火索氏体，而断轴的组织为铁素体+
珠光体，为锻轧状态组织，断轴的组织状态不符合技术要求。
3
硬度试验
在断轴横截面的外表面、1P2
半径、中心部位各打3
点布氏硬度，结果见表2。从试验结果看:各部位所测硬度值明显低于要求的技术指标。
4
断口分析
将带有光滑孔洞缺陷的断口样品在电镜下观察:孔洞中较光滑，没有发生氧化锈蚀现象，孔洞缺陷低倍形貌见图5。高倍观察:孔洞中间及周围断口形貌为波纹状，形貌见图6。整个断口面上有大量沿晶开裂的二次裂纹，低倍形貌见图7。
图3
断轴组织和网状夹杂物形貌。Bar
= 100μm
图4
晶界网状夹杂物能谱定性分析结果。
图5
断口上的孔洞形貌。 图6
孔洞中的波纹状形貌。 图7
沿晶二次裂纹形貌。
Bar = 200μm
Bar = 20μm
Bar = 50μm
5
结论
钢中有害元素S
含量和气体残余H
含量偏高，其它元素含量正常。
断轴的硬度在HB167～177
之间，明显低于要求的技术指标(HB220～250)
。断轴的硬度偏低是由其组织状态决定的。
断轴基体中硫化物夹杂较多，达3
级，且呈网状分布在晶界处。组织为铁素体+
珠光体，为锻轧态组织。而技术要求该轴组织状态应为调质处理的回火索氏体。断轴的组织状态不符合技术要求。
断轴横向断口上的孔洞缺陷内壁和周围的断口为波纹状形貌，其余断裂面上有大量沿晶分布的二次裂纹。从孔洞内壁波纹状形貌和整个断口的脆裂形貌判断:该断口为氢脆断口，孔洞缺陷为氢气泡缺陷。
综上所述:由于钢中有害气体元素H
含量偏高(残余H
含量达817PPm)
，导致钢中存在较大的氢气泡缺陷，破坏钢的致密性，减少钢的有效受力面积。
另外，有害元素S
含量偏高，造成钢中存在较多的硫化物夹杂，晶内硫化物的存在，相当于一些小裂纹分割基体，也将减少钢的有效受力面积;而晶界网状分布的硫化物，将破坏晶间结合力，降低晶界强度和塑性;同时由于硫化物的膨胀和收缩系数与钢基体的相差较大，使得硫化物与钢基体间存在一定的间隙，成为扑捉H
原子的陷阱，那么在硫化物与钢基体的间隙部位将容纳大量的原子氢，当这些原子氢结合成分子氢后，体积要增大数倍甚至十几倍，造成钢的基体脆化，塑性和韧性大大降低。另外，传动轴未经调质处理，组织状态不佳，硬度偏低，诸多不利因素共同作用导致传动轴仅使用2h
就发生横向脆性断裂。
据了解，该批钢材生产于雨季，原材料潮湿，生产过程中有冷却水渗漏现象，导致钢中残留大量的气体H
，最终造成钢的氢致脆化，引发该轴早期断裂。
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