分享：鉸鏈梁鉸耳斷裂原因分析
郭海霞,李 慧
(洛陽船舶材料研究所,洛陽 ４７１０２３)
摘 要:鉸鏈梁在使用過程中鉸耳發(fā)生斷裂,采用宏觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗、斷口掃描電鏡分析等方法,對鉸耳斷裂原因進行了分析.結(jié)果表明:鉸鏈梁中的殘余鋁含量和氮含量較高,夏季鑄造時冷速過慢,使得一次奧氏體晶界析出 AlN 夾雜物造成晶界脆化,同時晶界上大量的鑄態(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:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０５Ｇ０３５５Ｇ０４
我國是人造金剛石第一生產(chǎn)大國[１],鉸鏈式六面頂液壓機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)計發(fā)現(xiàn)半年時間內(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)性能測試、金相檢驗、斷口掃描電鏡分析等方法對斷裂鉸耳進行了檢驗和分析,以避免類似事故的再次發(fā)生.
１ 理化檢驗
１．１ 斷口宏觀觀察
鉸鏈梁鉸耳斷口低倍形貌如圖１所示,可見斷口齊平,無塑性變形特征,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行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表１,可見其化學(xué)成分滿足JB/T６４０２－２００６«大型低合金鋼鑄件»對ZG３５Cr１Mo鑄鋼成分的要求.
１．３ 力學(xué)性能測試
在鉸鏈梁鉸耳處取樣進行力學(xué)性能測試,結(jié)果見表２,可 見 鉸 鏈 梁 抗 拉 強 度 和 上 屈 服 強 度 滿 足JB/T６４０２－２００６要求,但塑性和韌性偏低,不滿足標準要求.
１．４ 金相檢驗
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,進行試樣表面低倍組織形貌觀察,可見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)金相顯微鏡對拋光態(tài)試樣進行夾雜物檢測,夾雜物形貌見圖３a),主要為大顆粒狀和長條狀,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»對夾雜物級別進行評定,結(jié)果為２級.侵蝕態(tài)下對試樣顯微組織進行觀察,主要為回火索氏體＋少量鐵素體,如圖３b)所示.晶粒度級別為１１．０級,晶粒平均直徑約７．９μm,晶粒較細,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)狀裂紋缺陷的實質(zhì).
在疏松缺陷周圍觀察到非常細微且斷續(xù)分布的網(wǎng)絡(luò)狀線條,如圖４a)所示,對應(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)細線特征,某些部位由于線條太細,在拋光態(tài)下不易分辨.觀察整個試樣,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)顯示細線實質(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)中的夾雜物相對應(yīng),而形成網(wǎng)狀裂紋缺陷的 AlN 夾雜物很細薄,在斷口上不易觀察到.
２ 分析與討論
斷裂鉸鏈梁化學(xué)成分滿足標準要求.力學(xué)性能中強度滿足標準要求,塑性、韌性偏低,不滿足標準要求.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)狀裂紋實質(zhì)是以 AlN 為主的夾雜物沿晶分布引起的沿晶脆性開裂導(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,為了細化晶粒和優(yōu)化組織,會在鑄造后進行熱處理,經(jīng)過熱處理后,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形成,是在鑄造過程中形成的,后期熱處理無法消除.
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,幾 乎 形 成１００％(面積分數(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,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,斷口則表現(xiàn)為韌性,“貝殼”消失.可見由 AlN 引起的貝殼狀斷口,鋼中鋁、氮含量必須滿足某一臨界值,超過該值時,鋼中的 AlN 含量越高,形成貝殼狀斷口越嚴重;
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展并相互銜接,最終形成了宏觀可見的周向裂紋,在偏心載荷的作用下進一步向內(nèi)擴展,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.
建議采用高溫擴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)進行６面鍛造,鍛造比要大于５,使枝晶偏析組織細化為纖維狀組織,改善碳化物的不均勻分布;嚴格按加工圖紙進行機加工,變截面應(yīng)有光滑的圓弧過渡,建議將表面粗糙度減小至Ra≤３．２μm;延長回火時間,采用５８０~６００ ℃×１２h３次回火,確保擠壓桿的硬度達到設(shè)計要求;安
裝時將擠壓桿對準擠壓筒的中心,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.
4 結(jié)論
鉸鏈梁中的殘余鋁含量和氮含量較高,夏季鑄造時冷速過慢,使得一次奧氏體晶界析出氮化鋁夾雜物薄膜,造成晶界脆化,晶界上大量的鑄態(tài) MnS,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程中發(fā)生沿晶斷裂.
建議鉸鏈梁冶煉過程中嚴格控制殘余鋁含量和氮含量,并且加快鑄件的冷卻速度,避免氮化鋁薄膜在一次奧氏體晶界上析出.
浙公網(wǎng)安備 33042402000106號
