（文章來源：嘉峪檢測網）

事故背景

某單位購置的泥漿泵已正常工作近50h，在一次常規(guī)作業(yè)過程中，其動力端被動軸突然發(fā)生斷裂，斷裂時泥漿泵的工作壓力為15MPa，斷裂前未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。泥漿泵動力端被動軸材料為35CrMo合金鋼，由鋼錠經鍛造后進行調質熱處理所制。

理化檢驗

1、宏觀觀察

宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，該被動軸直徑約為330mm，斷口基本平齊且表面較粗糙，無明顯塑性變形，斷口放射狀裂紋擴散花紋明顯，由裂紋擴展方向可見斷裂源位于軸心，斷口裂紋由斷裂源沿圓周方向呈放射狀向被動軸近表面擴展，存在明顯的剪切唇擴展臺階，具有瞬時脆性斷裂特征，如圖1所示。

2、化學成分分析

在斷裂的被動軸上取樣，采用DF-200型電火花直讀光譜儀進行化學成分分析。

由表1可見，被動軸的化學成分符合GB/T 3077－2015«合金結構鋼»對35CrMo合金鋼的要求。

3、力學性能測試

按照JB/T 5000.8－2007«重型機械通用技術條件 第8部分：鍛件»、GB/T 228.1－2010«金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法»和GB/T 229－2007«金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法»，在被動軸斷面距離表面1/3半徑處取樣，采用CMT5105型電子萬能試驗機和JB-300B型沖擊試驗機分別對試樣進行室溫拉伸試驗和沖擊試驗，試驗結果如表2所示。

對照GB/T 3077－2015«合金結構鋼»標準中35CrMo軸(直徑大于150mm)淬火＋高溫回火力學性能指標，可見被動軸除了斷后伸長率、斷面收縮率符合GB/T 3077－2015對35CrMo鋼的要求之外，被動軸的抗拉強度、屈服強度和沖擊吸收能量均低于該標準的要求。

4、掃描電鏡分析

在被動軸心部裂紋源區(qū)(圖1中C位置)取樣，采用SU-70型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)進行形貌觀察。

由圖2可見，斷口存在大量葡萄樣枝晶組織，枝晶表面光滑且仍保持鑄造凝固收縮的原始狀態(tài)，高倍下可觀察到枝晶間存在大量孔隙；斷口有大量孔洞及疏松缺陷，孔洞內壁光滑，斷口具有解理斷裂的特征。

5、金相檢驗

分別在被動軸的表面、距表面30mm處和心部取樣(圖1的A，B，C位置處)，試樣經鑲嵌、磨拋，采用體積分數為3％的硝酸酒精溶液浸蝕后，采用MA1001型金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織。

由圖3可見，被動軸表面顯微組織為回火索氏體＋網狀及塊狀鐵素體。

由圖4和圖5可見，被動軸距表面30mm處及心部的顯微組織均為珠光體＋粗大的網狀、針狀及塊狀鐵素體，并存在明顯的枝晶狀不均勻組織。

6、夾雜物與疏松缺陷分析

在被動軸心部(圖1中C位置處)取樣，采用SU-70型場發(fā)射掃描電鏡進行形貌觀察，可見被動軸心部存在大量夾雜物和疏松組織，如圖6所示。

采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對夾雜物進行能譜分析，分析位置和分析結果分別如圖7和表3所示。

可見夾雜物中有鋁、硫、鎂、鐵、錳、氧、碳、硅等元素，推測含有硫化錳、硫化鐵、氧化鋁、氧化鎂、硅酸鹽等。根據GB/T 10561－2005/ISO 4967：1998(E)«鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法»，對圖6a)中夾雜物進行評級，評級結果為D類3.0級，夾雜物級別較高。被動軸心部還存在長度為20μm以上的疏松缺陷，如圖6b)所示。

分析與討論

由宏觀觀察結果可知，裂紋源位于被動軸斷口心部，裂紋呈放射狀向四周擴展，斷口平齊且無塑性變形，具有瞬時脆性斷裂特征。

由掃描電鏡分析結果可知，斷口心部裂紋源區(qū)存在大量的葡萄樣枝晶組織、孔隙和疏松缺陷，枝晶表面光滑，仍保持鑄造凝固收縮的原始狀態(tài)，枝晶組織和微孔疏松結構由鑄造時中心部鋼液最后凝固收縮形成。在后期的鍛造過程中，由于鍛壓變形不充分，沒有破碎充分消除該組織，大量保留了枝晶組織和孔隙結構，導致被動軸的組織致密性和均勻性不高，破壞和削弱了晶體間的聯(lián)系，顯著降低了被動軸的強度，同時枝晶組織和孔隙處產生應力集中，成為裂紋源。

由金相檢驗、夾雜物和疏松缺陷分析結果可知，被動軸心部顯微組織不均勻，夾雜物級別較高，同時還存在疏松組織。夾雜物成分主要為硫化錳、硫化鐵、氧化鋁、氧化鎂、硅酸鹽等。

由力學性能測試結果可知，被動軸的抗拉強度、屈服強度和沖擊吸收能量均低于標準值，這說明夾雜物和疏松組織割裂了基體，顯著降低了材料的抗拉強度、屈服強度和塑韌性，并引起應力集中，成為裂紋源。

結論及建議

泥漿泵動力端被動軸心部存在大量的枝晶組織、夾雜物與孔隙疏松等缺陷及不均勻組織，不僅降低了被動軸的力學性能，還顯著降低了該軸的有效承載面積。內部缺陷是被動軸在正常工作中發(fā)生過載脆性斷裂的主要原因。

上述缺陷是在不合理冶金和鍛造等制造工藝中產生的，建議嚴格控制被動軸的制造過程，從源頭提高冶金質量，降低夾雜物含量與尺寸；設置合理的鑄造工藝，減少鑄件內部疏松缺陷與枝晶組織；在被動軸鍛造成型工藝中充分消除鑄件殘留的枝晶組織；嚴格執(zhí)行被動軸熱處理流程，避免出現(xiàn)網狀鐵素體等缺陷組織。

建議通過適當延長材料固溶時效保溫時間來減輕或消除條狀組織，以提高棒材橫向沖擊吸收能量的檢驗合格率。

作者：高學平，高級工程師，山東大學