（洛陽(yáng)船舶材料研究所,洛陽(yáng) ４７１０２３)

摘 要:鉸鏈梁在使用過(guò)程中鉸耳發(fā)生斷裂,采用宏觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、斷口掃描電鏡分析等方法,對(duì)鉸耳斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:鉸鏈梁中的殘余鋁含量和氮含量較高,夏季鑄造時(shí)冷速過(guò)慢,使得一次奧氏體晶界析出 AlN 夾雜物造成晶界脆化,同時(shí)晶界上大量的鑄態(tài) MnS以及 Al２O３ 類夾雜物也加劇了晶界的脆化,導(dǎo)致鉸鏈梁鉸耳在使用過(guò)程中發(fā)生沿晶脆性斷裂.

關(guān)鍵詞:鉸鏈梁;貝殼狀斷口;AlN 夾雜物;殘余鋁量;沿晶脆性斷裂

中圖分類號(hào):TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０５Ｇ０３５５Ｇ０４

我國(guó)是人造金剛石第一生產(chǎn)大國(guó)[１],鉸鏈?zhǔn)搅骓斠簤簷C(jī)是人造金剛石的生產(chǎn)設(shè)備,鉸鏈梁是六面頂中最重要的部件[２].某廠的鉸鏈梁在使用過(guò)程中鉸耳發(fā)生斷裂,鉸耳是鉸鏈梁的關(guān)鍵部位,承受較大作用力.統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)半年時(shí)間內(nèi)共有１０件鉸鏈梁的鉸耳發(fā)生了斷裂,而且斷裂特征相似,因此急需找到鉸鏈 梁 鉸 耳 斷 裂 的 原 因. 該 批 鉸 鏈 梁 材 料 為ZG３５Cr１Mo鑄 鋼,生 產(chǎn) 工 藝 為:中 頻 爐 鑄 造 → 正火→回火→機(jī)加工→調(diào)質(zhì)處理.為了查明鉸耳斷裂的原因,筆者采用宏觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、斷口掃描電鏡分析等方法對(duì)斷裂鉸耳進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析,以避免類似事故的再次發(fā)生.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 斷口宏觀觀察

鉸鏈梁鉸耳斷口低倍形貌如圖１所示,可見(jiàn)斷口齊平,無(wú)塑性變形特征,呈貝殼狀斷口特征,斷口面上晶粒形貌明顯,晶粒直徑大約為１mm.

１．２ 化學(xué)成分分析

在鉸鏈梁鉸耳處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表１,可見(jiàn)其化學(xué)成分滿足JB/T６４０２－２００６«大型低合金鋼鑄件»對(duì)ZG３５Cr１Mo鑄鋼成分的要求.

１．３ 力學(xué)性能測(cè)試

在鉸鏈梁鉸耳處取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表２,可 見(jiàn) 鉸 鏈 梁 抗 拉 強(qiáng) 度 和 上 屈 服 強(qiáng) 度 滿 足JB/T６４０２－２００６要求,但塑性和韌性偏低,不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

１．４ 金相檢驗(yàn)

１．４．１ 低倍組織形貌分析

取與斷口面平行的試樣面,經(jīng)磨、拋后酸洗,進(jìn)行試樣表面低倍組織形貌觀察,可見(jiàn)試樣表面上分布著網(wǎng)狀裂紋缺陷及疏松缺陷,如圖２a)所示,放大后網(wǎng)狀裂紋缺陷形貌如圖２b)所示,疏松缺陷形貌如圖２c)所示,部分網(wǎng)狀裂紋缺陷和疏松缺陷相連接,如圖２d)所示.

１．４．２ 顯微組織分析

采用光學(xué)金相顯微鏡對(duì)拋光態(tài)試樣進(jìn)行夾雜物檢測(cè),夾雜物形貌見(jiàn)圖３a),主要為大顆粒狀和長(zhǎng)條狀,聚集分布,具有明顯的鑄態(tài)特征.能譜分析顯示夾雜物主要為 MnS和 MnS與 Al２O３ 的復(fù)合型夾雜物.依據(jù) GB/T８４９３－１９８７«一般工程用鑄造碳鋼金相»對(duì)夾雜物級(jí)別進(jìn)行評(píng)定,結(jié)果為２級(jí).

侵蝕態(tài)下對(duì)試樣顯微組織進(jìn)行觀察,主要為回火索氏體＋少量鐵素體,如圖３b)所示.晶粒度級(jí)別為１１．０級(jí),晶粒平均直徑約７．９μm,晶粒較細(xì),如圖３c)所示.

１．４．３ 網(wǎng)狀裂紋缺陷分析

在金相拋光態(tài)和侵蝕態(tài)的觀察中,均未觀察到與網(wǎng)狀裂紋缺陷相關(guān)的特征,考慮到圖２d)中疏松缺陷與網(wǎng)狀裂紋缺陷是相連的,所以從疏松缺陷周圍查找網(wǎng)狀裂紋缺陷的實(shí)質(zhì).

在疏松缺陷周圍觀察到非常細(xì)微且斷續(xù)分布的網(wǎng)絡(luò)狀線條,如圖４a)所示,對(duì)應(yīng)的拋光態(tài)形貌如圖４b)所示,網(wǎng)絡(luò)狀線條呈灰色斷續(xù)細(xì)線特征,某些部位由于線條太細(xì),在拋光態(tài)下不易分辨.觀察整個(gè)試樣,在較高倍率下找到一處比較容易分辨的網(wǎng)絡(luò)狀線條,如圖４c)所示,能譜(EDS)顯示細(xì)線實(shí)質(zhì)是以 AlN 為主的夾雜物,能譜分析結(jié)果如圖４d)所示.

１．５ 斷口掃描電鏡及能譜分析

鉸鏈梁鉸耳斷口形貌如圖５a)所示,可見(jiàn)邊緣為柱狀晶形貌,中間為等軸晶形貌,斷口呈鑄態(tài)沿晶特征,屬于典型的貝殼狀斷口.斷口上分布著較多夾雜物,如圖５b)所示,能譜分析顯示夾雜物主要為MnS以及 MnS與 Al２O３ 的復(fù)合型夾雜物,能譜分析結(jié)果如圖５c),d)所示.從夾雜物尺寸、形貌和能譜分析結(jié)果分析,這些夾雜物與圖３a)中的夾雜物相對(duì)應(yīng),而形成網(wǎng)狀裂紋缺陷的 AlN 夾雜物很細(xì)薄,在斷口上不易觀察到.

２ 分析與討論

斷裂鉸鏈梁化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.力學(xué)性能中強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,塑性、韌性偏低,不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.肉眼可觀察到試樣表面上分布著網(wǎng)狀裂紋缺陷及疏松缺陷,網(wǎng)狀裂紋缺陷的網(wǎng)絡(luò)直徑約１mm.原始斷口、拉伸斷口、沖擊斷口形貌相似,呈鑄態(tài)沿晶斷裂特征,晶粒直徑大約為１mm,該沿晶晶粒大小與網(wǎng)狀裂紋勾勒出的網(wǎng)絡(luò)大小相同,因此兩者是一致的。

分析得知,網(wǎng)狀裂紋實(shí)質(zhì)是以 AlN 為主的夾雜物沿晶分布引起的沿晶脆性開(kāi)裂導(dǎo)致的,另外沿晶斷口上分布的較多鑄態(tài)的 MnS,Al２O３ 夾雜物以及疏松缺陷也割裂了基體的連續(xù)性,增加了晶界脆性,加劇了沿晶開(kāi)裂的傾向.鉸鏈梁調(diào)質(zhì)處理后的晶粒平均直徑約７．９μm,而斷口的沿晶晶粒大小約１ mm,兩者相差１００倍以上,顯然這兩種晶粒是不一致的.鑄鋼在鑄造后形成粗大鑄態(tài)一次奧氏體晶粒,為了細(xì)化晶粒和優(yōu)化組織,會(huì)在鑄造后進(jìn)行熱處理,經(jīng)過(guò)熱處理后,原始奧氏體晶粒消失,得到的是熱處理后新形成的細(xì)小晶粒.因此,鉸鏈梁的 AlN 夾雜物分布在粗大鑄態(tài)一次奧氏體晶界上,在奧氏體晶粒凝固時(shí)形成,是在鑄造過(guò)程中形成的,后期熱處理無(wú)法消除。

AlN 在一次奧氏體晶界上析出,在二維空間是斷續(xù)細(xì)線,在三維空間是晶界界面上的 AlN 薄膜層,這種薄膜狀氮化鋁與其他彌散分布的夾雜物不同,其形態(tài)是厚度為０．０５μm,其他尺寸不大于５μm的沿晶薄膜.它會(huì)減弱晶間結(jié)合力,使晶界脆化,增加晶間產(chǎn)生裂紋的傾向,降低材料的塑、韌性.

有研究表明當(dāng)鋼中殘余鋁含量為 ０．１０８％(質(zhì)量分 數(shù),下 同)、氮 含 量 為 ０．０１５％ 時(shí),幾 乎 形 成１００％(面積分?jǐn)?shù),下同)的貝殼狀斷口;當(dāng)殘余鋁含量在０．０５％、氮含量為０．０１５％時(shí),貝殼狀斷口只占斷口 總 面 積 的 ５０％ 左 右;而 當(dāng) 殘 余 鋁 含 量 為０．０３７％以下、氮含量為０．０１２％以下時(shí),斷口則表現(xiàn)為韌性,“貝殼”消失.可見(jiàn)由 AlN 引起的貝殼狀斷口,鋼中鋁、氮含量必須滿足某一臨界值,超過(guò)該值時(shí),鋼中的 AlN 含量越高,形成貝殼狀斷口越嚴(yán)重;

低于該值,AlN 的影響就減弱以至消失[３].該鉸鏈梁的殘余鋁含量為０．１４５％,氮含量為０．０１６％,兩種元素含量均超過(guò)了形成１００％貝殼狀斷口的臨界條件,鉸鏈梁斷口也的確形成了１００％貝殼狀斷口.鋼中氮含量與鋼的冶煉方法有著必然的聯(lián)系,同 一低合金鋼液采用中頻爐冶煉,其氮含量高于采余奧氏體將在高應(yīng)力的作用下產(chǎn)生局部變形,導(dǎo)致

殘余奧氏體與共晶碳化物的界面上(或非金屬夾雜物的尖端)萌生裂紋,這些微小裂紋逐步擴(kuò)展并相互銜接,最終形成了宏觀可見(jiàn)的周向裂紋,在偏心載荷的作用下進(jìn)一步向內(nèi)擴(kuò)展,直至發(fā)生彎曲疲勞斷裂.

３ 結(jié)論及建議

    該擠壓桿桿身與桿座之間的過(guò)渡圓弧誤加工成退刀槽而形成應(yīng)力集中,且擠壓桿回火不充分,有較高的殘余內(nèi)應(yīng)力,顯微組織不穩(wěn)定,偏析組織產(chǎn)生附加組織應(yīng)力及各向異性,使得退刀槽棱邊萌生裂紋,在安裝引起的偏心載荷作用下,導(dǎo)致擠壓桿在服役初期產(chǎn)生彎曲疲勞斷裂.建議采用高溫?cái)U(kuò)散退火提高擠壓桿化學(xué)成分及顯微組織的均勻性;坯料應(yīng)進(jìn)行６面鍛造,鍛造比要大于５,使枝晶偏析組織細(xì)化為纖維狀組織,改善碳化物的不均勻分布;嚴(yán)格按加工圖紙進(jìn)行機(jī)加工,變截面應(yīng)有光滑的圓弧過(guò)渡,建議將表面粗糙度減小至Ra≤３．２μm;延長(zhǎng)回火時(shí)間,采用５８０~６００ ℃×１２h３次回火,確保擠壓桿的硬度達(dá)到設(shè)計(jì)要求;安裝時(shí)將擠壓桿對(duì)準(zhǔn)擠壓筒的中心,使擠壓桿與擠壓筒內(nèi)孔之間的間隙均勻一致,以提高擠壓桿的服役壽命.

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 2018年 > 5期 > pp.355）