事故背景

某单位购置的泥浆泵已正常工作近50h，在一次常规作业过程中，其动力端被动轴突然发生断裂，断裂时泥浆泵的工作压力为15MPa，断裂前未发现异常现象。泥浆泵动力端被动轴材料为35CrMo合金钢，由钢锭经锻造后进行调质热处理所制。

理化检验

1、宏观观察

宏观观察发现，该被动轴直径约为330mm，断口基本平齐且表面较粗糙，无明显塑性变形，断口放射状裂纹扩散花纹明显，由裂纹扩展方向可见断裂源位于轴心，断口裂纹由断裂源沿圆周方向呈放射状向被动轴近表面扩展，存在明显的剪切唇扩展台阶，具有瞬时脆性断裂特征，如图1所示。

图1 被动轴断口宏观形貌

2、化学成分分析

在断裂的被动轴上取样，采用DF-200型电火花直读光谱仪进行化学成分分析。

表1 被动轴的化学成分(质量分数)％

由表1可见，被动轴的化学成分符合GB/T 3077－2015«合金结构钢»对35CrMo合金钢的要求。

3、力学性能测试

按照JB/T 5000.8－2007«重型机械通用技术条件 第8部分：锻件»、GB/T 228.1－2010«金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法»和GB/T 229－2007«金属材料夏比摆锤冲击试验方法»，在被动轴断面距离表面1/3半径处取样，采用CMT5105型电子万能试验机和JB-300B型冲击试验机分别对试样进行室温拉伸试验和冲击试验，试验结果如表2所示。

表2 被动轴的力学性能测试结果

对照GB/T 3077－2015«合金结构钢»标准中35CrMo轴(直径大于150mm)淬火＋高温回火力学性能指标，可见被动轴除了断后伸长率、断面收缩率符合GB/T 3077－2015对35CrMo钢的要求之外，被动轴的抗拉强度、屈服强度和冲击吸收能量均低于该标准的要求。

4、扫描电镜分析

在被动轴心部裂纹源区(图1中C位置)取样，采用SU-70型场发射扫描电镜(SEM)进行形貌观察。

图2 被动轴心部裂纹源区的SEM形貌

由图2可见，断口存在大量葡萄样枝晶组织，枝晶表面光滑且仍保持铸造凝固收缩的原始状态，高倍下可观察到枝晶间存在大量孔隙；断口有大量孔洞及疏松缺陷，孔洞内壁光滑，断口具有解理断裂的特征。

5、金相检验

分别在被动轴的表面、距表面30mm处和心部取样(图1的A，B，C位置处)，试样经镶嵌、磨抛，采用体积分数为3％的硝酸酒精溶液浸蚀后，采用MA1001型金相显微镜观察试样的显微组织。

图3 被动轴表面的显微组织形貌

由图3可见，被动轴表面显微组织为回火索氏体＋网状及块状铁素体。

图4 被动轴距表面30mm处的显微组织形貌

图5 被动轴心部的显微组织形貌

由图4和图5可见，被动轴距表面30mm处及心部的显微组织均为珠光体＋粗大的网状、针状及块状铁素体，并存在明显的枝晶状不均匀组织。

6、夹杂物与疏松缺陷分析

在被动轴心部(图1中C位置处)取样，采用SU-70型场发射扫描电镜进行形貌观察，可见被动轴心部存在大量夹杂物和疏松组织，如图6所示。

图6 被动轴心部的SEM形貌

采用扫描电镜附带的能谱仪(EDS)对夹杂物进行能谱分析，分析位置和分析结果分别如图7和表3所示。

图7 被动轴心部夹杂物能谱分析位置

表3 被动轴心部夹杂物能谱分析结果(质量分数)％

可见夹杂物中有铝、硫、镁、铁、锰、氧、碳、硅等元素，推测含有硫化锰、硫化铁、氧化铝、氧化镁、硅酸盐等。根据GB/T 10561－2005/ISO 4967：1998(E)«钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法»，对图6a)中夹杂物进行评级，评级结果为D类3.0级，夹杂物级别较高。被动轴心部还存在长度为20μm以上的疏松缺陷，如图6b)所示。

分析与讨论

由宏观观察结果可知，裂纹源位于被动轴断口心部，裂纹呈放射状向四周扩展，断口平齐且无塑性变形，具有瞬时脆性断裂特征。

由扫描电镜分析结果可知，断口心部裂纹源区存在大量的葡萄样枝晶组织、孔隙和疏松缺陷，枝晶表面光滑，仍保持铸造凝固收缩的原始状态，枝晶组织和微孔疏松结构由铸造时中心部钢液最后凝固收缩形成。在后期的锻造过程中，由于锻压变形不充分，没有破碎充分消除该组织，大量保留了枝晶组织和孔隙结构，导致被动轴的组织致密性和均匀性不高，破坏和削弱了晶体间的联系，显著降低了被动轴的强度，同时枝晶组织和孔隙处产生应力集中，成为裂纹源。

由金相检验、夹杂物和疏松缺陷分析结果可知，被动轴心部显微组织不均匀，夹杂物级别较高，同时还存在疏松组织。夹杂物成分主要为硫化锰、硫化铁、氧化铝、氧化镁、硅酸盐等。

由力学性能测试结果可知，被动轴的抗拉强度、屈服强度和冲击吸收能量均低于标准值，这说明夹杂物和疏松组织割裂了基体，显著降低了材料的抗拉强度、屈服强度和塑韧性，并引起应力集中，成为裂纹源。

结论及建议

泥浆泵动力端被动轴心部存在大量的枝晶组织、夹杂物与孔隙疏松等缺陷及不均匀组织，不仅降低了被动轴的力学性能，还显著降低了该轴的有效承载面积。内部缺陷是被动轴在正常工作中发生过载脆性断裂的主要原因。

上述缺陷是在不合理冶金和锻造等制造工艺中产生的，建议严格控制被动轴的制造过程，从源头提高冶金质量，降低夹杂物含量与尺寸；设置合理的铸造工艺，减少铸件内部疏松缺陷与枝晶组织；在被动轴锻造成型工艺中充分消除铸件残留的枝晶组织；严格执行被动轴热处理流程，避免出现网状铁素体等缺陷组织。

建议通过适当延长材料固溶时效保温时间来减轻或消除条状组织，以提高棒材横向冲击吸收能量的检验合格率。

作者：高学平，高级工程师，山东大学