皮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征。通過斷口上放射狀棱線特征可溯源斷裂啟始部位位于（1/2）R區(qū)域的2個(gè)凹坑及其周邊平滑區(qū)域。

為進(jìn)一步了解斷裂模式及成因，利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)皮輥軸原始斷口及其附近人工斷口的微觀形貌特征進(jìn)行觀察分析。結(jié)果表明：皮輥軸原始斷口以解理斷裂特征為主，與宏觀斷口小刻面特征具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；皮輥軸原始斷口附近人工新斷口也以解理斷裂特征為主，說明該斷裂皮輥軸材質(zhì)處于脆性狀態(tài)。綜合皮輥軸宏、微觀斷口形貌特征，可以確定皮輥軸斷裂模式為脆性解理斷裂。

另外，在皮輥軸（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(fā)現(xiàn)“白點(diǎn)”等缺陷特征。由此可以排除發(fā)生氫脆可能性。

力學(xué)特性檢測

在皮輥軸（1/2）R 處圓線上4等分部位截取縱向力學(xué)拉伸和沖擊性能試樣，取樣編號(hào)分別為A，B，C和D；在皮輥軸外圓表面截取硬度試樣。檢測結(jié)果表明，皮輥軸硬度檢測值符合技術(shù)要求，但沖擊性能明顯偏低，說明皮輥軸處于比較嚴(yán)重的脆性狀態(tài)。

化學(xué)成分分析

在皮輥軸斷口附近常規(guī)取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。分析結(jié)果表明：皮輥軸的化學(xué)成分檢測結(jié)果符合GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》的技術(shù)要求。

在皮輥軸（1/2）R 處部位和原始斷口凹坑附近區(qū)域分別取樣進(jìn)行氫（H）含量分析。結(jié)果表明：皮輥軸基體氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（1.3~1.7）×10-6；在原始斷口凹坑附近取樣進(jìn)行檢測所得氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（11，9.0，3.0，1.5，0.4）×10-6，說明氫含量在斷口及其附近區(qū)域分布非常不均勻，局部存在氫含量嚴(yán)重偏高現(xiàn)象。

金相觀察與分析

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

對(duì)皮輥軸橫截面各部位金相組織和顯微晶粒度進(jìn)行分析。結(jié)果表明：皮輥軸外邊緣以索氏體組織為主；皮輥軸中部和心部以珠光體和鐵素體組織為主。皮輥軸邊緣、中部和心部晶粒度均在8.0級(jí)左右。

縱向殘余應(yīng)力測定

沿皮輥軸軸線和（1/2）R 部位分別截取縱向試樣，對(duì)試樣進(jìn)行研磨和電解拋光，利用X射線應(yīng)力分析儀對(duì)皮輥軸軸線和（1/2）R 部位縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行測定。

皮輥軸軸線方向殘余應(yīng)力值穩(wěn)定在40~50 MPa，為拉應(yīng)力；（1/2）R 部位縱向殘余應(yīng)力值也存在與軸向相同的趨勢。需要說明的是：皮輥軸軸線方向殘余應(yīng)力測定樣存在明顯微裂紋，說明內(nèi)應(yīng)力已經(jīng)有所釋放，故所測殘余應(yīng)力值較低；而（1/2）R 部位縱向殘余應(yīng)力測定樣無明顯微裂紋。

基體微裂紋斷口觀察分析

針對(duì)皮輥軸橫向微裂紋斷口進(jìn)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后對(duì)該斷口進(jìn)行宏、微觀形貌觀察。結(jié)果表明，皮輥軸橫向微裂紋宏觀斷口上存在類似“魚眼”狀特征。其微觀特征是“魚眼”周邊呈韌窩狀特征，“魚眼”中間區(qū)域存在顯微孔洞并環(huán)繞晶粒，孔洞內(nèi)表面處于自由狀態(tài)，呈氣孔特征（；氣孔內(nèi)部還含有Mn，S和Ti等，這是由于皮輥軸在冶煉和澆注時(shí)中未能有效除掉氫等氣體和夾雜物所造成的顯微缺陷。

模擬去氫退火試驗(yàn)及結(jié)果分析

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

1）當(dāng)溫度升高到840 ℃進(jìn)行完全退火（即等溫退火）時(shí)，基體氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從（1.3~1.7）×10-6降至（0.1~0.2）×10-6，顯微組織和斷裂性質(zhì)無明顯改變，但沖擊韌性明顯提高了10~15 J。說明有效的去氫退火工藝會(huì)促使氫從皮輥軸材質(zhì)中釋放出來，使皮輥軸材質(zhì)韌性有所提高；同時(shí)也說明固溶在基體中的氫對(duì)皮輥軸脆性解理開裂起到了一定的促進(jìn)作用。

2）CD樣沖擊性能提高幅度略次于AB樣，這與皮輥軸中氫含量分布不均勻有關(guān)。

皮輥軸斷裂原因分析討論

皮輥軸斷裂源區(qū)位于斷口內(nèi)部的凹坑區(qū)域，斷口宏觀形貌均為小刻面特征，微觀形貌以解理斷裂特征為主，呈典型的脆性解理斷裂特征。

皮輥軸硬度檢測值符合技術(shù)要求，但沖擊韌性明顯偏低，即皮輥軸材質(zhì)處于脆性狀態(tài)。皮輥軸基體常規(guī)化學(xué)成分符合相關(guān)技術(shù)要求，雖然氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在（1.3~1.7）×10-6范圍內(nèi)，但在斷口及附近區(qū)域分布非常不均勻，局部區(qū)域高達(dá)11×10-6，說明存在著氫含量嚴(yán)重偏高現(xiàn)象。

通過殘余應(yīng)力檢測發(fā)現(xiàn)，皮輥軸軸線方向存在殘余拉應(yīng)力，應(yīng)力值為40~50 MPa。同時(shí)，軸向殘余應(yīng)力測定樣上也存在著明顯的微裂紋，說明內(nèi)應(yīng)力已有所釋放，釋放前的實(shí)際應(yīng)力高于40~50 MPa。另外，沿微裂紋制備的斷口上存在類似“魚眼”狀特征，“魚眼”周邊呈拉應(yīng)力形式的韌窩狀特征，可進(jìn)一步說明皮輥軸軸向曾存在能夠促使裂紋擴(kuò)展的內(nèi)應(yīng)力。需要指出的是，“魚眼”中心存在環(huán)繞晶粒的顯微氣孔，內(nèi)部含有Mn，S和Ti等夾雜物，說明皮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，并且在經(jīng)歷了鍛造后，由于皮輥軸整體壓縮而進(jìn)一步加劇了氫的聚集程度。

通過對(duì)皮輥軸基體取樣進(jìn)行去氫退火試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)退火溫度升高到840 ℃，基體顯微組織和斷裂性質(zhì)無實(shí)質(zhì)變化，但氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從（1.3~1.7）×10-6降至（0.1~0.2）×10-6，沖擊韌性明顯得到提升?？梢姡行У娜渫嘶鸸に嚂?huì)促使氫從基體晶體結(jié)構(gòu)中釋放出來，使皮輥軸材質(zhì)韌性有所改善。說明固溶在基體中的氫一方面降低了原子鍵合力，當(dāng)降低到與局部應(yīng)力相當(dāng)時(shí)，鍵合遭到破壞，便發(fā)生解理破斷；另一方面固溶氫容易與位錯(cuò)交互作用使位錯(cuò)被釘扎，滑移困難、基體變脆，在低應(yīng)力作用下發(fā)生開裂。也是固溶在基體中的氫對(duì)皮輥軸的脆性解理開裂也起到一定的促進(jìn)作用。

綜上所述，斷裂皮輥軸發(fā)生了氫致脆性解理開裂，即氫脆。其中，氫一方面存在于冶金缺陷等部位，另一方面固溶于基體晶體結(jié)構(gòu)中。皮輥軸冶煉澆注工藝的控制不當(dāng)導(dǎo)致了氫殘留在皮輥軸中且含量分布很不均勻，局部區(qū)域偏聚含量非常高，鍛造又進(jìn)一步加劇了氫的聚集程度。而在鍛造和熱處理階段，都會(huì)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，即皮輥軸開裂之前其內(nèi)部已經(jīng)存在能夠誘發(fā)氫脆產(chǎn)生的拉應(yīng)力。這樣，氫原子在一定內(nèi)應(yīng)力的作用下向氣孔、微裂紋等顯微缺陷部位發(fā)生擴(kuò)散聚集，之后由原子合為分子，在局部區(qū)域高度富集，產(chǎn)生巨大的體積膨脹效應(yīng)，引起很高的內(nèi)部壓力，再加上固溶氫已使基體韌性降低、斷裂強(qiáng)度下降，進(jìn)而導(dǎo)致皮輥軸的脆性開裂。

由于氫的聚集過程需要時(shí)間，所以皮輥軸發(fā)生滯后斷裂，并且斷裂時(shí)沒有預(yù)兆，也無宏觀塑性變形。又由于巨大體積膨脹效應(yīng)，所以出現(xiàn)了皮輥軸軸頭崩出很遠(yuǎn)的現(xiàn)象，屬于危險(xiǎn)性較高的斷裂 。