摘 要:某礦用卡車前懸掛油缸活塞桿在服役時發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué) 性能測試、斷口分析以及金相檢驗等方法對該活塞桿斷裂原因進行分析。結(jié)果表明:該活塞桿熱處 理工藝不當(dāng)導(dǎo)致表面形成感應(yīng)淬火裂紋,在惡劣的服役環(huán)境下,活塞桿表面裂紋尖端開始形成疲勞 裂紋并向內(nèi)擴展。當(dāng)疲勞裂紋擴展到一定程度時,活塞桿所受載荷超過其承載力,最終導(dǎo)致其瞬間 斷裂。
關(guān)鍵詞:活塞桿;斷裂;疲勞裂紋;感應(yīng)淬火;熱處理
中圖分類號:TH142.1 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)09-0071-04
礦用卡車是礦產(chǎn)資源運輸?shù)闹匾煌üぞ?其 通常在工況較差的野外服役。前懸掛是礦用卡車的 重要組成部件,有支撐整車、緩沖、減震和受力傳遞 的作用[1]。某重型礦用卡車在正常服役500h后發(fā) 生前懸掛油缸活塞桿斷裂事故。該油缸活塞桿材料 為27SiMn鋼,規(guī)格為 320mm×48mm(外徑×壁 厚),主要加工工藝為:整體模鍛件鍛后正火→下料 →粗車→調(diào)質(zhì)熱處理→半精車→表面感應(yīng)淬火→精 車→表面鍍鉻→拋光。 為查明該活塞桿斷裂的原因,筆者對斷裂的活 塞桿部件進行理化檢驗,對其斷裂原因進行了分析, 以防止該類事故再次發(fā)生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
前懸掛油缸活塞桿斷口的宏觀形貌如圖1所 示,根據(jù)斷口裂紋擴展花樣分析[2],斷口基本呈橫 向斷裂,裂紋 的 走 向 是 由 活 塞 桿 一 側(cè) 外 表 面 向 另 一側(cè)擴展,裂 紋 源 區(qū) 斷 面 平 滑,呈 弧 形 擴 展,具 有 明顯的疲勞 斷 裂 特 征,疲 勞 源 位 于 活 塞 桿 外 側(cè) 近 邊緣處?；钊麠U斷裂 面 最 外 側(cè) 約 1.6 mm 寬 度 區(qū) 域,斷口形貌 與 疲 勞 裂 紋 擴 展 平 面 的 特 征 明 顯 不 同,并可見 明 顯 的 臺 階。斷 口 上 疲 勞 裂 紋 擴 展 區(qū) 面積較小且 表 面 形 貌 較 為 平 坦,最 后 瞬 間 斷 裂 區(qū) 面積較大且較為粗糙,呈人字條紋,說明最后斷裂 時所受的工作應(yīng)力較大[3]。
在斷口附近切割試樣,縱向(垂直于斷裂面)磨 拋后在體式顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)感應(yīng)淬火層內(nèi)有兩條平行于斷口的裂紋,裂紋較直,尾端尖細,長度均 約為1.6mm(見圖2)。
1.2 化學(xué)成分分析
利用線切割方式在斷裂油缸活塞桿上截取試 樣,用直讀光譜儀對試樣進行化學(xué)成分分析,結(jié)果如 表1所示。由表1可以看出:試樣的化學(xué)成分均滿 足 GB/T3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對 27SiMn鋼 的要求。
1.3 力學(xué)性能測試
按照 GB/T3077—2015 中 對 27SiMn鋼 的 要 求和廠方技術(shù)要求,對試樣進行拉伸和沖擊試驗,結(jié)果如表 2 所 示,由 表 2 可 知:試 樣 的 抗 拉 強 度、 屈服強度均低于 GB/T3077—2015標準和廠方技 術(shù)要求,沖擊吸收能量 滿 足 GB/T3077—2015 的 要求。
1.4 硬度及硬化層深度測試
在活塞桿的表面感應(yīng)淬火區(qū)及內(nèi)部裂紋擴展區(qū) 分別取樣進行洛氏硬度測試。測試結(jié)果為:活塞桿 斷口表面感應(yīng)淬火區(qū)硬度為40~43HRC。離開表 面感應(yīng)淬 火 區(qū) 硬 度 迅 速 降 低,裂 紋 擴 展 區(qū) 硬 度 為 21~25HRC,活塞桿心部硬度約為19~22 HRC。 根據(jù)設(shè)計 要 求,活 塞 桿 表 面 淬 硬 層 硬 度 應(yīng) 不 小 于 50HRC,心部硬度應(yīng)為20~25HRC?；钊麠U表面 感應(yīng)淬火區(qū)硬度及心部硬度均低于設(shè)計要求。
取活 塞 桿 橫 截 面 試 樣,經(jīng) 磨 拋 后 根 據(jù) GB/T 5617—2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化 層深度的測定》測量其淬火有效硬化層深度,硬度測 試位置間隔為0.1mm。GB/T5617—2005要求表面 的最低硬度為550HV,極限硬度為440HV,測試試 樣的有效硬化層深度為1.69mm,依據(jù)該前懸掛油缸 活塞桿制造工藝要求,淬硬層應(yīng)達到2~3mm,測試 結(jié)果低于 GB/T5617—2005標準要求(見圖3)。
1.5 斷口微觀形貌分析
在表面裂紋源區(qū)附近取斷口試樣,經(jīng)汽油+丙 酮清洗后,用掃描電鏡(SEM)對斷口進行觀察,其 微觀形貌如圖4所示。由圖4可以看出:試樣最外 層為表面感應(yīng)淬火裂紋區(qū),該區(qū)域斷口宏觀形貌較 為平整,與疲勞裂紋擴展區(qū)有明顯的臺階;疲勞裂紋 擴展區(qū)可見明顯的疲勞輝紋,屬于準解理斷裂[4-5] ;瞬間斷裂區(qū)的微觀形貌主要是解理及準解理脆性斷 口,表明材料的脆性較大[6]。
1.6 金相檢驗
在靠近斷口附近取金相試樣,垂直斷裂面磨拋 后,在光學(xué)顯微鏡下觀察材料從表面至心部夾雜物 的情況,按照 GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜 物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》中 A 法評定 試樣夾雜物級別為:A 類硫化物0級,B 類氧化鋁 0級,C類硅酸鹽0級,D類球狀氧化物0.5級,材料 純凈度較好,未發(fā)現(xiàn)明顯冶金缺陷及非金屬夾雜物 聚集現(xiàn)象[7]。試樣經(jīng)4%(體積分數(shù))硝酸酒精溶液 侵蝕后,從表面至心部觀察活塞桿剖面顯微組織形 貌(見圖5)。由圖5可知:試樣的表面組織為細針 馬氏體組織,表面可見向心部延伸的縱向裂紋,深度 約為1.68mm,與硬度法測得的淬火有效硬化層深 度結(jié)果基本一致,裂紋兩側(cè)無明顯脫碳現(xiàn)象,表面鍍 鉻層擠壓損傷嚴重,呈不均勻分布的斷續(xù)狀;過渡區(qū) 組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體組織,鐵素體 呈長條狀和少量針狀;心部基體組織為珠光體+鐵 素體,鐵素體沿晶界呈網(wǎng)狀分布[8]。
2 綜合分析
從金相檢驗結(jié)果可以看出:該前懸掛油缸活塞 桿除表面感應(yīng)淬火區(qū)(寬度不大于2mm)外的基體 組織主要為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體,該組織會大大降 低材料的抗拉強度和塑性,容易引起變形及斷裂[9]。 該活塞桿壁厚只有48mm,正常調(diào)質(zhì)熱處理完全可 以使整個截面淬透,回火后得到回火索氏體組織,而 該活塞桿表面除感應(yīng)淬火區(qū)以外均為珠光體+鐵素 體組織,判斷該油缸活塞桿缺少應(yīng)有的調(diào)質(zhì)熱處理工 序,而是直接以熱加工正火態(tài)組織進行后續(xù)的表面感 應(yīng)淬火強化處理[10]。按照相關(guān)技術(shù)文件規(guī)定,該活 塞桿表面感應(yīng)淬火前應(yīng)進行調(diào)質(zhì)熱處理,從而獲得回 火索氏體組織,一方面可以使活塞桿獲得足夠的抗拉 強度和良好的韌性,另一方面回火索氏體組織可以為 后續(xù)的表面感應(yīng)淬火提供良好的組織準備[11]。
在斷口附近切割垂直于斷裂面的試樣,磨拋后觀 察試樣,發(fā)現(xiàn)表面至少有2條垂直于外表面但平行于疲勞裂紋擴展面的裂紋。裂紋開始于表面,貫穿感應(yīng) 淬火硬化層,終止于硬化層與基體組織交界處,裂紋 較直,尾端尖細,長度約為1.6mm,與硬度法測得的 淬火有效硬化層深度結(jié)果基本一致。腐蝕后觀察裂 紋兩側(cè)無明顯的脫碳現(xiàn)象,從而可以判斷該裂紋是在 表面感應(yīng)淬火過程中產(chǎn)生的,在活塞桿服役過程中該 裂紋引起了后續(xù)疲勞裂紋的形成和擴展。
3 結(jié)論
對該前懸掛油缸活塞桿進行熱處理時,整體正 火處理后未進行調(diào)質(zhì)處理就直接進行了表面感應(yīng)淬 火處理,導(dǎo)致該活塞桿的抗拉強度和韌性較低,感應(yīng) 淬火時產(chǎn)生了感應(yīng)淬火裂紋。油缸活塞桿在服役過 程中受拉壓作用力的往復(fù)運動,在惡劣的服役環(huán)境 和較大的疲勞載荷作用下,活塞桿感應(yīng)淬火裂紋尖 端開始形成疲勞裂紋并向內(nèi)擴展,當(dāng)疲勞裂紋擴展 到一定程度時,活塞桿所受載荷超過其承載力,最終 導(dǎo)致活塞桿瞬間斷裂。
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