輥軸

斷口宏、微觀形貌分析

斷裂輥軸的斷口比較平齊，無明顯塑性變形痕跡，宏觀形貌呈脆性斷裂形貌特徵。通過斷口上放射狀稜線特徵可溯源斷裂啓始部位位於（1/2）R區域的2個凹坑及其周邊平滑區域。

為進一步瞭解斷裂模式及成因，利用掃描電子顯微鏡（SEM）對輥軸原始斷口及其附近人工斷口的微觀形貌特徵進行觀察分析。結果表明：輥軸原始斷口以解理斷裂特徵為主，與宏觀斷口小刻面特徵具有很好的對應關係；輥軸原始斷口附近人工新斷口也以解理斷裂特徵為主，説明該斷裂輥軸材質處於脆性狀態。綜合輥軸宏、微觀斷口形貌特徵，可以確定輥軸斷裂模式為脆性解理斷裂。

另外，在輥軸（1/2）R 處截取橫向折斷試樣，縱向斷口呈典型小刻面狀，未發現“白點”等缺陷特徵。由此可以排除發生第一類氫脆可能性 ^[1]  。

力學特性檢測

在輥軸（1/2）R 處圓線上4等分部位截取縱向力學拉伸和衝擊性能試樣，取樣編號分別為A，B，C和D；在輥軸外圓表面截取硬度試樣。檢測結果表明，輥軸硬度檢測值符合技術要求，但衝擊性能明顯偏低，説明輥軸處於比較嚴重的脆性狀態。

化學成分分析

在輥軸斷口附近常規取樣進行化學成分分析。分析結果表明：輥軸的化學成分檢測結果符合GB/T 3077—1999《合金結構鋼技術條件》的技術要求。

在輥軸（1/2）R 處部位和原始斷口凹坑附近區域分別取樣進行氫（H）含量分析。結果表明：輥軸基體氫的質量分數為（1.3~1.7）×10-6；在原始斷口凹坑附近取樣進行檢測所得氫的質量分數為（11，9.0，3.0，1.5，0.4）×10-6，説明氫含量在斷口及其附近區域分佈非常不均勻，局部存在氫含量嚴重偏高現象 ^[2]  。

金相觀察與分析

對輥軸縱截面（1/2）R 部位取樣進行非金屬夾雜物檢測。非金屬夾雜物為A類（硫化物類）夾雜物小於0.5級，C類（硅酸鹽類）夾雜物細系0.5級，D類（球狀氧化物類）夾雜物細系1級，未見B類（氧化鋁類）和DS類（單顆粒球狀類）夾雜物。

對輥軸橫截面各部位金相組織和顯微晶粒度進行分析。結果表明：輥軸外邊緣以索氏體組織為主；輥軸中部和心部以珠光體和鐵素體組織為主。輥軸邊緣、中部和心部晶粒度均在8.0級左右。

縱向殘餘應力測定

沿輥軸軸線和（1/2）R 部位分別截取縱向試樣，對試樣進行研磨和電解拋光，利用X射線應力分析儀對輥軸軸線和（1/2）R 部位縱向殘餘應力進行測定。

輥軸軸線方向殘餘應力值穩定在40~50 MPa，為拉應力；（1/2）R 部位縱向殘餘應力值也存在與軸向相同的趨勢。需要説明的是：輥軸軸線方向殘餘應力測定樣存在明顯微裂紋，説明內應力已經有所釋放，故所測殘餘應力值較低；而（1/2）R 部位縱向殘餘應力測定樣無明顯微裂紋。

基體微裂紋斷口觀察分析

針對輥軸橫向微裂紋斷口進行觀察分析。在微裂紋部位截取試樣，將試樣沿微裂紋面拉斷後對該斷口進行宏、微觀形貌觀察。結果表明，輥軸橫向微裂紋宏觀斷口上存在類似“魚眼”狀特徵。其微觀特徵是“魚眼”周邊呈韌窩狀特徵，“魚眼”中間區域存在顯微孔洞並環繞晶粒，孔洞內表面處於自由狀態，呈氣孔特徵（；氣孔內部還含有Mn，S和Ti等，這是由於輥軸在冶煉和澆注時中未能有效除掉氫等氣體和夾雜物所造成的顯微缺陷 ^[1]  。

模擬去氫退火試驗及結果分析

在輥軸（1/2）R 處圓線上2等分部位截取縱向試樣，取樣編號為AB和CD。分別在650，840，1 100 ℃進行以去氫為目的的退（回）火熱處理：

1）當温度升高到840 ℃進行完全退火（即等温退火）時，基體氫的質量分數從（1.3~1.7）×10-6降至（0.1~0.2）×10-6，顯微組織和斷裂性質無明顯改變，但衝擊韌性明顯提高了10~15 J。説明有效的去氫退火工藝會促使氫從輥軸材質中釋放出來，使輥軸材質韌性有所提高；同時也説明固溶在基體中的氫對輥軸脆性解理開裂起到了一定的促進作用。

2）CD樣衝擊性能提高幅度略次於AB樣，這與輥軸中氫含量分佈不均勻有關 ^[1]  。

輥軸斷裂原因分析討論

輥軸斷裂源區位於斷口內部的凹坑區域，斷口宏觀形貌均為小刻面特徵，微觀形貌以解理斷裂特徵為主，呈典型的脆性解理斷裂特徵。

輥軸硬度檢測值符合技術要求，但衝擊韌性明顯偏低，即輥軸材質處於脆性狀態。輥軸基體常規化學成分符合相關技術要求，雖然氫的質量分數在（1.3~1.7）×10-6範圍內，但在斷口及附近區域分佈非常不均勻，局部區域高達11×10-6，説明存在着氫含量嚴重偏高現象。

通過殘餘應力檢測發現，輥軸軸線方向存在殘餘拉應力，應力值為40~50 MPa。同時，軸向殘餘應力測定樣上也存在着明顯的微裂紋，説明內應力已有所釋放，釋放前的實際應力高於40~50 MPa。另外，沿微裂紋製備的斷口上存在類似“魚眼”狀特徵，“魚眼”周邊呈拉應力形式的韌窩狀特徵，可進一步説明輥軸軸向曾存在能夠促使裂紋擴展的內應力。需要指出的是，“魚眼”中心存在環繞晶粒的顯微氣孔，內部含有Mn，S和Ti等夾雜物，説明輥軸在冶煉澆注過程中未能有效除掉氫等氣體和夾雜物等，形成了氣體與夾雜物聚集的顯微氣孔缺陷。這些顯微氣孔的存在往往為氫的聚集提供了有利場所，並且在經歷了鍛造後，由於輥軸整體壓縮而進一步加劇了氫的聚集程度。

通過對輥軸基體取樣進行去氫退火試驗研究發現：當退火温度升高到840 ℃，基體顯微組織和斷裂性質無實質變化，但氫的質量分數從（1.3~1.7）×10-6降至（0.1~0.2）×10-6，衝擊韌性明顯得到提升。可見，有效的去氫退火工藝會促使氫從基體晶體結構中釋放出來，使輥軸材質韌性有所改善。説明固溶在基體中的氫一方面降低了原子鍵合力，當降低到與局部應力相當時，鍵合遭到破壞，便發生解理破斷；另一方面固溶氫容易與位錯交互作用使位錯被釘扎，滑移困難、基體變脆，在低應力作用下發生開裂。也就是固溶在基體中的氫對輥軸的脆性解理開裂也起到一定的促進作用。

綜上所述，斷裂輥軸發生了氫致脆性解理開裂，即氫脆。其中，氫一方面存在於冶金缺陷等部位，另一方面固溶於基體晶體結構中。輥軸冶煉澆注工藝的控制不當導致了氫殘留在輥軸中且含量分佈很不均勻，局部區域偏聚含量非常高，鍛造又進一步加劇了氫的聚集程度。而在鍛造和熱處理階段，都會產生殘餘內應力，即輥軸開裂之前其內部已經存在能夠誘發氫脆產生的拉應力。這樣，氫原子在一定內應力的作用下向氣孔、微裂紋等顯微缺陷部位發生擴散聚集，之後由原子合為分子，在局部區域高度富集，產生巨大的體積膨脹效應，引起很高的內部壓力，再加上固溶氫已使基體韌性降低、斷裂強度下降，進而導致輥軸的最終脆性開裂。

由於氫的聚集過程需要時間，所以輥軸發生滯後斷裂，並且斷裂時沒有預兆，也無宏觀塑性變形。又由於巨大體積膨脹效應，所以出現了輥軸軸頭崩出很遠的現象，屬於危險性較高的斷裂 ^[1]  。

1）嚴格控制輥軸冶煉和澆注質量，避免過多的氫殘留在輥軸內，減少或降低氫含量分佈不勻、局部偏高現象。

2）在輥軸鍛後應及時進行有效的去氫工藝處理，可在一定程度上降低氫含量，減緩或避免氫脆的發生。

3）在輥軸熱處理加熱過程中，要限制加熱速度，適時增加保温台階，以儘可能地減小工件內部能夠誘發產生氫脆的殘餘應力 ^[2]  。

1）輥軸斷裂模式為氫致脆性解理斷裂，即氫脆。

2）由於輥軸冶煉工藝過程中未能有效除氫，致使局部氫含量偏高，以及輥軸調質熱處理環節產生了能夠誘發氫脆的殘餘應力，從而導致輥軸內殘存氫發生聚集膨脹而引起延遲崩裂 ^[1]  。