冷轧四辊轧机在使用过程中压下螺杆端头发生了破断。该螺杆系外购件,由40Cr钢制造,安装使用仅一个星期,属于早期断裂。现场调查表明,除螺杆端头发生破断及与其对接的铜衬被擦伤外,轧机其它部件完好。为查明事故发生原因,对其做了断裂失效分析。
试验方法
首先对断裂现场进行调查,并对断口进行宏观分析及螺杆端头受力分析。根据宏观分析结果,在断口及相邻螺杆上切取样品。用Olympus-PME3光学显微镜检查非金属夹杂物及显微组织;用JCXA-733型电子探针显微分析仪进行微观断口分析;用-3显微硬度仪测定HV;对材质也进行了化学成分分析。
试验结果
1.化学成分分析
压下螺杆的化学成分见表1,与GB3077-82《合金结构钢技术条件》标准所规定的化学成分相比,符合要求。
2.宏观断口分析
压下螺杆端头断裂件宏观形貌见图1。由图1可见,断口没有宏观塑性变形,呈脆性状态,断口形貌可分为三个区,1区较平坦,有细小的人字纹由右指向左,即裂纹由左向右进行扩展;2区为放射状条纹区,所占面积较大,是裂纹快速发展区;3区为最终断裂区,断口较粗糙。在强光照射下,1区呈灰白色结晶状断口,2区也呈灰白色,且有明显的小反射面存在,3区有强烈反光的小刻面存在。断口自压下螺杆端面起裂,距压下螺杆柱面约12mm。
光学金相检验
经观察,螺杆端头显微组织中有复合氧化物夹杂及硫化物夹杂(见图2),在3cm2的金相磨面上便发现三处。根据GB10561-89对样品进行评定,夹杂物级别为3级,不符合要求。
对压下螺杆端头及相邻部位金相组织检查表明,两部位的显微组织大不一样(见图3和图4),端头的金相组织为淬火针状马氏体,而相邻螺杆杆身的组织为铁素体和珠光体组织,表明压下螺杆端头部进行过局部淬火,而螺杆主体部分为正火组织。
显微硬度
显微硬度(HV)测定结果为:端头653kg/mm2,杆身259kg/mm2。表明,螺杆端头的硬度值比螺杆杆身高得多。
显微分析
经观察,图1中1区和2区均为沿晶断裂(图5a),断口面平滑,没有塑性变形,呈现出不同程度的晶粒多面体外形花样,并有二次裂纹存在(图5b),为沿晶脆性断裂。图5c为断裂源的形貌,且有很长的硫化锰夹杂物存在。图1中3区的微观形态呈河流花样,为解理断裂(图5d)。
分析与讨论
综合以上分析可以看出,40Cr压下螺杆化学成分正常,但非金属夹杂物颗粒较大,级别较高,使群集硫化锰夹杂物在螺杆工作状态下成为开裂源;另一方面,是热处理工艺不当,淬火时端头形成了脆性的粗大针状马氏体,其硬度高达HV653,而螺杆正常组织的硬度只有HV259。在淬火过程中,粗大的针状马氏体长大到原奥氏体晶界时,会产生高应力,从而导致晶界裂纹,起到解理裂纹核心的作用,因此,在断口上,不管是在扩展速度较慢的1区,还是在扩展速度较快的2区,裂纹都沿着晶界扩展。断口显微组织中,1区、2区均为针状马氏体组织,裂纹扩展到正火组织的3区时,裂纹沿着解理面进行,形成解理断裂。这就是螺杆工作时发生失效的原因。
结论
(1)钢中的非金属夹杂物不合格,并成为断裂的裂源。
(2)压下螺杆端头形成了脆性的针状马氏体组织是螺杆破断的主要原因。
建议
(1)螺杆端头进行局部淬火后应进行合理的回火工艺,以去除应力并适当提高材料的韧性。
(2)应严格控制钢材的冶金缺陷,使非金属夹杂物符合要求。
(3)螺杆端头与铜衬的接触面,应加工成弧度一致,以使其真正按照面接触方式传力,在正常条件下工作。(end)
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