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摘 要 ：某厂材质为 17-4PH 的泵轴在运行过程中发生断裂。从泵轴上切取样品进行金相观察、成分检验、硬度测试、冲击测试。 经固溶 + 时效处理后，17-4PH 马氏体沉淀硬化钢的微观组织应该以索氏体为主，但通过金相观察发现，该泵轴的金相组织中含 有大量的残留铁素体，在其轴向截面上出现了许多条带状铁素体，且可观察到大量的孔洞缺陷。此外，泵轴断裂位置处于轴肩 台阶处，此处并未加工过渡圆角，导致此处有较大的应力集中。应力集中和组织缺陷的共同作用使得泵轴在运行过程中发生断裂。
关键词 ：17-4PH 钢 ；泵轴 ；断裂失效 ；应力集中 ；铁素体
某厂泵轴在运行过程中出现两次断轴问题，发现其断裂位 置位于轴肩处，如图 1所示。为了查明泵轴在运行过程中发生断 裂的原因， 防止此类事故再次发生， 并且提出切实可行的改进措 施，对断后的泵轴进行了一系列实验分析。
泵轴材质为马氏体沉淀硬化钢 17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）， 经固溶、时效处理后使用。通常，经过热处理后，17-4PH 不锈 钢具有良好的综合力学性能，且兼具奥氏体不锈钢的良好加工 性能和马氏体不锈钢的高强度，其热处理工艺相对来说比较简 单，经过不同的热处理工艺可以获得不同的强韧性配合。因此， 其广泛应用于各类机电产品的主轴、阀杆、配件等 [1]。该轴工作 介质为灰水，工作温度为 150°，转速为 2980r/min，轴功率为 507.5kW， 断裂处直径为 75mm。
1 实验方法
实验材料为该断裂泵轴，其热处理工艺为 1025℃ ~1055℃ 固溶处理和 610℃ ~630℃时效处理，冷却方式分别为油冷和空 冷。利用电火花线切割机对断轴进行试样的切取， 并主要进行了 金相检测、成分检验、显微硬度测试、冲击测试以及H元素检测。
1.1 金相检测
金相试件抛光后通过电解饱和草酸对试样进行腐蚀，图2、 3 分别为断轴径向、轴向试样截面的金相照片。根据金相照片可 以看出， 其组织主要由索氏体和残留的大量铁素体组成， 并且沿轴向分布有未溶解的条状铁素体，如图2(b)所示，条状的铁素体 长短不一， 沿着轴向规则排列， 因此可以判断条状铁素体形成于 锻造加工时，后续热处理并未使其完全溶解消除。此外，断轴径 向、轴向试样中均存在孔洞缺陷。
1.2 成分检验
对试样进行了宏观成分检测、微区成分检测以及断轴近端 口外表面的元素分析。
1.2.1 宏观成分检测
宏观成分检测试样测试结果及 17-4PH 钢标准化学成分如表 1所示。材料中各合金元素含量基本符合标准要求。
1.2.2 断轴近断口外表面元素分析
断轴近断口的外表面试样取样，利用场发射扫描电镜对其 表面进行EDS分析， 随机取3个位置进行检测， 结果如表2所示。
根据检测结果，泵轴外表面 Cr 元素含量较多，这与其外表 面形成的 Cr2O3 薄膜有关 [2]，这也就是泵轴外表面呈金属光泽的原因。此外，断轴外表面不存在 S 元素，因此没有发生H2S 腐蚀，因此泵轴的断裂并非氢脆所致。
1.2.3 微区成分检测
利用型号为 SUPARR 55 场发射扫描电镜对微区成分检测试 样中随机三个区域进行微区成分检测， 所得结果如表 3所示。
根据结果可知，泵轴内微区成分偏差很小，可以判定不存在 成分偏析。
1.3 显微硬度测试
为了确定断轴硬度是否满足相应要求，分别对断轴轴向及 径向试样进行显微硬度测试，每个试样间隔 0.5mm 测试十个 点并取平均值。断轴轴向与径向试样的显微硬度测试结果如 表 4 所示，可以看出断轴径向与轴向试样的显微硬度平均值分 别 为 305.25HV、307.66HV， 换 算 为 HBW 分 别 为 290.25HBW、 292.66HBW， 满足不锈钢棒标准 GB/T 1220-2007（≥ 277HBW）。
1.4 冲击测试
为了确定断轴力学性能是否满足相应要求，对断轴进行 了冲击测试，冲击试验结果分别为 122J、112J、118J。根据美标 ASTM A693-2016， 17-4PH 不锈钢经过固溶（1050℃ ±25℃）和 时效（621℃ ±8℃，4h）处理后，其冲击功应不小于 41J，而断轴 试样冲击功远远高于41J，符合相应力学性能要求。
1.5 H元素检测
通过氧氮氢分析仪对试样进行H 元素检测。H 元素检测结 果如表 5所示，根据检测结果可以看出，断轴内部H 元素含量极 低，在此认为泵轴断裂与氢脆关系不大。
2 分析与讨论
根据断轴的宏观照片，可知断轴断裂于轴肩台阶处，且可以 发现轴肩台阶处并未加工过渡圆角，导致此处在工作过程中出现应力集中过大的情况， 分析认为这是导致泵轴断裂的外因。
从断轴切取的试样，其金相组织为索氏体和残留的大量铁 素体，特别是对于轴向试样，存在大量的条状铁素体。而根据工 艺要求，泵轴进行固溶 + 时效处理，所得到的组织应为索氏体组 织，因此，残留的铁素体推测实在原材料处理过程中产生的。条 带状铁素体属于高温形成相，通过后续的热处理和热加工无法 去除。条带状铁素体的存在一方面造成了泵轴组织的不均匀， 另 一方面破坏了基体金属的连续性，从而使得材料的韧性大幅降 低。另外，金相组织中出现了大量的孔洞缺陷，热加工、热处理 工艺无法产生孔洞缺陷， 故而这与泵轴坯料有关。
材料的组织取决于其热处理工艺，根据标准规定，该 泵轴在使用前要经过固溶 + 时效处理（具体的工艺参数为 ： 1025℃ ~1055℃ ×2.5~5.0h 油冷， 610℃ ~630℃ ×4~6h 空冷）。 一般来说， 在热处理过程中， 固溶温度过高可能会导致铁素体增 多，Ms 点降低，并且会造成组织粗大。固溶温度过低，合金元素 及其相关碳化物来不及进入奥氏体内，从而使得组织内成分不 均匀，在后续形成马氏体的过程中会降低沉淀硬化的效果。因 此，要获得符合要求的性能和组织就必须对固溶温度精确把控。 因此，造成该泵轴组织中含有较多条带状铁素体的原因为固溶 处理温度偏高。
综上所述，该泵轴断裂的主要原因在于两方面，一方面是由 于断面处轴肩台阶未加工过渡圆角， 导致此处应力集中过大。另 一方面是由于泵轴的后续热处理工艺存在问题，固溶处理温度 过高， 使得其在热处理后仍然存在大量残留的铁素体， 并且泵轴 原材料内存在大量的孔洞缺陷， 不符合要求。
3 改进措施
（1）从材料生产的源头加强相关质量文件的追踪，并加强对 原材料的检测验收工作， 规避使用不合格的材料。
（2）合理设计轴肩台阶过渡结构，以此来缓解尺寸变化导致 的应力集中过大的现象。
（3）适当调整固溶处理的温度，减少保温时间，防止产生过 多的条状铁素体。
参考文献
[1] 邓德伟 , 焦咏翔 , 黄治冶 , 等 .17-4PH 泵轴弯曲失效原因分析 [J]. 石油化工设备 技术 ,2020,041(001):19-22.
[2] 陈贝 , 陈惠芬 , 王泽民 .17-4PH 不锈钢的研究现状及发展趋势 [J]. 上海应用技 术学院学报 ( 自然科学版),2016,16(01):83-87.
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