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區域的2個凹坑及其周邊平滑區域。

為進一步了解斷裂模式及成因，利用掃描電子顯微鏡（SEM）對皮輥軸原始斷口及其附近人工斷口的微觀形貌特征進行觀察分析。結果表明：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應關系；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處于脆性狀態。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，未發現“白點”等缺陷特征。由此可以排除發生氫脆可能性。

力學特性檢測

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

化學成分分析

在皮輥軸斷口附近常規取樣進行化學成分分析。分析結果表明：皮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。

在皮輥軸（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：皮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，說明氫含量在斷口及其附近區域分布非常不均勻，局部存在氫含量嚴重偏高現象。

金相觀察與分析

對皮輥軸縱截面（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）夾雜物小于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。

對皮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：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級左右。

縱向殘余應力測定

沿皮輥軸軸線和（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射線應力分析儀對皮輥軸軸線和（1/2）R 部位縱向殘余應力進行測定。

皮輥軸軸線方向殘余應力值穩定在40~50 MPa，為拉應力；（1/2）R 部位縱向殘余應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力測定樣存在明顯微裂紋，說明內應力已經有所釋放，故所測殘余應力值較低；而（1/2）R 部位縱向殘余應力測定樣無明顯微裂紋。

基體微裂紋斷口觀察分析

針對皮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后對該斷口進行宏、微觀形貌觀察。結果表明，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”中間區域存在顯微孔洞并環繞晶粒，孔洞內表面處于自由狀態，呈氣孔特征（；氣孔內部還含有Mn，S和Ti等，這是由于皮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。

模擬去氫退火試驗及結果分析

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）當溫度升高到840 ℃進行完全退火（即等溫退火）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，但沖擊韌性明顯提高了10~15 J。說明有效的去氫退火工藝會促使氫從皮輥軸材質中釋放出來，使皮輥軸材質韌性有所提高；同時也說明固溶在基體中的氫對皮輥軸脆性解理開裂起到了一定的促進作用。

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。

皮輥軸斷裂原因分析討論

皮輥軸斷裂源區位于斷口內部的凹坑區域，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要求，但沖擊韌性明顯偏低，即皮輥軸材質處于脆性狀態。皮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范圍內，但在斷口及附近區域分布非常不均勻，局部區域高達11×10-6，說明存在著氫含量嚴重偏高現象。

通過殘余應力檢測發現，皮輥軸軸線方向存在殘余拉應力，應力值為40~50 MPa。同時，軸向殘余應力測定樣上也存在著明顯的微裂紋，說明內應力已有所釋放，釋放前的實際應力高于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”周邊呈拉應力形式的韌窩狀特征，可進一步說明皮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，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，并且在經歷了鍛造后，由于皮輥軸整體壓縮而進一步加劇了氫的聚集程度。

通過對皮輥軸基體取樣進行去氫退火試驗研究發現：當退火溫度升高到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，沖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，使皮輥軸材質韌性有所改善。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。也是固溶在基體中的氫對皮輥軸的脆性解理開裂也起到一定的促進作用。

綜上所述，斷裂皮輥軸發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構中。皮輥軸冶煉澆注工藝的控制不當導致了氫殘留在皮輥軸中且含量分布很不均勻，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，都會產生殘余內應力，即皮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，之后由原子合為分子，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，進而導致皮輥軸的脆性開裂。

由于氫的聚集過程需要時間，所以皮輥軸發生滯后斷裂，并且斷裂時沒有預兆，也無宏觀塑性變形。又由于巨大體積膨脹效應，所以出現了皮輥軸軸頭崩出很遠的現象，屬于危險性較高的斷裂 。