我公司炼铁厂1号高炉于2014年某日发生上料主卷扬减速箱高速轴（40Cr）断裂事故，导致高炉无计划休风835min。在金相分析的基础上，应用扫描电镜（SEM）及其附件能谱仪（EDS）联袂对断轴进行定性定量分析后，找出导致该轴脆性断裂的可能原因，对防止类似事故的发生有积极意义。

失效分析方法

在断轴上截取全断面制成光谱样进行化学成分和硬度分析，根据图纸要求的标准性能判断所用材料的符合性。

对断裂轴全截面进行清洗，在低倍率下观察其宏观形貌，从宏观上找出断裂的撕裂纹走向，从而判断其断裂的最初起源点；对断裂源进行电镜、金相等分析，找出导致其断裂失效原因；对断裂全截面的硬度与显微组织进行分析，从而对失效原因做出综合分析。

材料材质符合性判断

韶钢炼铁厂1号高炉主卷扬机减速箱高速齿轮轴图样标示材质为40Cr调质处理，从化学成分和硬度检测结果看，材料符合要求。

1.成分检测在断轴上截取全断面制成光谱样，随机取3个点分析，成分实测值与标准成分区间值范围对比完全吻合，见表1。

2.材料调质硬度

该齿轮轴图样要求材料调质后硬度255～286HBW。在断轴上取样检测，结果为262～276HBW10/3000，符合要求。

减速箱高速轴齿断失效分析

1.基体金相组织和硬度分析

韶钢炼铁厂1号高炉主卷扬机减速箱高速齿轮轴材质为调质40Cr，目标组织为回火索氏体。

（1）试样表面基体组织与夹杂物情况在试样靠近断面20mm处取全截面试样分析基体组织，选取试样边缘作为检测点，检测结果：金相组织（见图1、图2）为回火索氏体+网状铁素体（5.7%）；夹杂物（见图3）评级为A2.5eD0.5级；硬度结果为276HBW10/3000。

图1 边缘组织（100×）  图2边缘组织（500×）  图3 边缘夹杂（100×）

（2）试样径向1/4处的组织与夹杂物情况在试样靠近断面20mm处取全截面试样分析基体组织，选取试样径向1/4处作为检测点，检测结果：金相组织（见图4、图5）为回火索氏体+网状铁素体（16.2%）；夹杂物（见图6）评级为A3.0eD0.5级；硬度结果为262HBW10/3000。

图4  100× 图5  500× 图6  100×

（3）试样心部（径向1/2处）的组织与夹杂物情况

在试样靠近断面20mm处取全截面试样分析基体组织，选取试样心部（径向1/2处）处作为检测点，检测结果：金相组织（见如图7、图8）为回火索氏体+网状铁素体（18.7%）；夹杂物（见图9）评级为A2.5eD0.5级；硬度结果为246HBW10/3000。

图7  100×   图8  500×   图9  100×

（4）基体组织与硬度分析

从不同部位基体组织检测结果说明：基体组织中存在铁素体且其含量呈规律性变化，反映了该轴调质处理中淬火工艺执行质量未达工艺要求；基体中夹杂物较严重，进一步降低了该轴的性能。①铁素体含量从轴表层到心部呈规律性变化，从6%上升到19%；而硬度从轴表层到心部也呈规律性变化，从276HBW10/3000下降到246HBW10/3000。②试样横截面组织及其均匀性较差。试样组织为回火索氏体+铁素体，铁素体基本呈网状，这样的组织脆性大，裂纹容易沿晶界扩散。③夹杂物较严重，在轴横截面的1/4处达到了最严重的3级。夹杂物在交变应力作用下，易诱发裂纹产生而导致轴失效。

2.查找裂纹源

（1）断裂断口宏观分析，找出断裂裂纹源

分析轴断口形貌，从其横截面撕裂方向（见图10）初步判断该轴断口的裂纹源为试样边缘结点处（近表面），该结点为长条椭圆形，裂纹向外扩展，见图11。观察可见，此结点颜色与底部基底颜色不一致，结点颜色较亮白，基底颜色深，带黑红；结点中间有细小裂纹。

图10  断面的断口形貌

图11 计算机处理后的裂纹源示意

（2）电镜形貌分析，找出裂纹源

对图11中疑为裂纹源的结点进行电镜扫描，发现该结点与基体呈镶嵌形态，且与基体间有裂纹（见图12），进一步断定该结点为镶入物，就是裂纹源。对该结点做细致观察，确认凹坑处为裂纹源，微观形貌为河流状花纹（见图13、图14），判断该轴为脆性断裂。

图12 、 图13 、 图14  疑似裂纹源

3.确认裂纹源

（1）裂纹源处的组织试样磨制完成后经腐蚀发现：

①结点与其周围（基体）组织颜色不一致。

②结点周围（基体）组织为回火索氏体+网状铁素体，与基体组织一致；而结点处的组织为单纯索氏体组织。

③基体与结点之间有裂纹，裂纹位于轴表面结点底部，见图15到图18。

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