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分析辊轴断裂原因是什么?
编辑:无锡西塘环件有限公司   时间:2019-06-19

辊轴断裂源区位于断口内部的凹坑区域,断口宏观形貌均为小刻面特征,微观形貌以解理断裂特征为主,呈典型的脆性解理断裂特征。

辊轴硬度检测值符合技术要求,但冲击韧性明显偏低,即辊轴材质处于脆性状态。辊轴基体常规化学成分符合相关技术要求,虽然氢的质量分数在(1.3~1.7)×10-6范围内,但在断口及附近区域分布非常不均匀,局部区域高达11×10-6,说明存在着氢含量严重偏高现象。

通过残余应力检测发现,辊轴轴线方向存在残余拉应力,应力值为40~50 MPa。同时,轴向残余应力测定样上也存在着明显的微裂纹,说明内应力已有所释放,释放前的实际应力高于40~50 MPa。另外,沿微裂纹制备的断口上存在类似“鱼眼”状特征,“鱼眼”周边呈拉应力形式的韧窝状特征,可进一步说明辊轴轴向曾存在能够促使裂纹扩展的内应力。


需要指出的是,“鱼眼”中心存在环绕晶粒的显微气孔,内部含有Mn,S和Ti等夹杂物,说明辊轴在冶炼浇注过程中未能有效除掉氢等气体和夹杂物等,形成了气体与夹杂物聚集的显微气孔缺陷。这些显微气孔的存在往往为氢的聚集提供了有利场所,并且在经历了锻造后,由于辊轴整体压缩而进一步加剧了氢的聚集程度。


通过对辊轴基体取样进行去氢退火试验研究发现:当退火温度升高到840 ℃,基体显微组织和断裂性质无实质变化,但氢的质量分数从(1.3~1.7)×10-6降至(0.1~0.2)×10-6,冲击韧性明显得到提升。可见,有效的去氢退火工艺会促使氢从基体晶体结构中释放出来,使辊轴材质韧性有所改善。说明固溶在基体中的氢一方面降低了原子键合力,当降低到与局部应力相当时,键合遭到破坏,便发生解理破断;另一方面固溶氢容易与位错交互作用使位错被钉扎,滑移困难、基体变脆,在低应力作用下发生开裂。也就是固溶在基体中的氢对辊轴的脆性解理开裂也起到一定的促进作用。


综上所述,断裂辊轴发生了氢致脆性解理开裂,即氢脆。其中,氢一方面存在于冶金缺陷等部位,另一方面固溶于基体晶体结构中。辊轴冶炼浇注工艺的控制不当导致了氢残留在辊轴中且含量分布很不均匀,局部区域偏聚含量非常高,锻造又进一步加剧了氢的聚集程度。而在锻造和热处理阶段,都会产生残余内应力,即辊轴开裂之前其内部已经存在能够诱发氢脆产生的拉应力。这样,氢原子在一定内应力的作用下向气孔、微裂纹等显微缺陷部位发生扩散聚集,之后由原子合为分子,在局部区域高度富集,产生巨大的体积膨胀效应,引起很高的内部压力,再加上固溶氢已使基体韧性降低、断裂强度下降,进而导致辊轴的最终脆性开裂。



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