摘 要:采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)某液壓油缸缸筒的爆 裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:液壓油缸缸筒組織不均勻,存在混晶,導(dǎo)致材料的脆性較強(qiáng);焊接工 藝不當(dāng)導(dǎo)致在焊接起弧點(diǎn)附近出現(xiàn)裂紋,引起應(yīng)力集中,在較大應(yīng)力作用下,裂紋快速擴(kuò)展導(dǎo)致油 缸缸筒爆裂。 

關(guān)鍵詞:液壓油缸;脆性斷裂;應(yīng)力集中;裂紋

中圖分類號(hào):TG115.5                                         文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B  文章                                編號(hào):1001-4012(2022)08-0058-03

液壓油缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、做直線往復(fù) 運(yùn)動(dòng)(或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng))的液壓執(zhí)行元件,在正常服役條件 下需承受很大的壓力。液壓油缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在工程 機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。某液壓油缸缸筒在正常 服役300h左右發(fā)生爆缸開裂事故。該油缸缸筒材 料為 45 # 鋼,規(guī) 格 (外 徑 × 壁 厚 )為 280 mm × 15mm,加工工藝為調(diào)質(zhì)→熱軋→冷拔→正火。

為了查明液壓油缸缸筒爆裂的原因,筆者對(duì)爆 裂后的 液 壓 油 缸 缸 筒 進(jìn) 行 了 一 系 列 理 化 檢 驗(yàn) 與 分析。 

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

爆裂的液壓油缸缸筒宏觀形貌如圖1所示,可見缸筒一側(cè)外表面焊接了一個(gè)導(dǎo)向套,導(dǎo)向套焊接 位置距離缸筒一側(cè)端頭約120 mm,液壓油缸筒體 上有一條縱向的幾乎成直線的穿透性主裂紋,該主 裂紋靠近導(dǎo)向套和缸筒的焊接部位,裂紋穿過導(dǎo)向 套后開始分叉并變得彎曲,形成數(shù)條次裂紋,裂紋基 本貫穿整個(gè)長(zhǎng)度方向,缸筒左側(cè)端頭至導(dǎo)向套末端 區(qū)域 裂 紋 較 寬,裂 紋 張 開 的 縫 隙 寬 度 約 為 2~ 3mm,裂紋縫隙繼續(xù)延伸分叉后寬度變窄,油缸缸 筒外表面無明顯的塑性變形及鼓脹現(xiàn)象[1]。

用線切割方式沿液壓油缸缸筒斷裂面打開缸筒, 觀察主裂紋斷口,其宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知:主裂紋斷口平齊,有金屬光澤且呈銀灰色,為典型 的脆性斷裂宏觀特征。在導(dǎo)向套和缸筒的焊接熱影 響區(qū)有一個(gè)半橢圓形的凹面,另一半斷口對(duì)應(yīng)位置則 表現(xiàn) 為 凸 面,凹 面 的 長(zhǎng) 度 約 為 4 mm,深 度 約 為 1.5mm。凹面左右兩側(cè)均可見明顯的放射狀條紋, 放射狀條紋收斂于該半橢圓形凹面,開裂源區(qū)的宏觀 形貌如圖3所示,可推斷該半橢圓形凹面應(yīng)該是液壓 油缸缸筒爆裂的裂紋源區(qū)域。觀察發(fā)現(xiàn),該凹面位置 正好位于導(dǎo)向套和缸筒焊接的端部邊緣熱影響區(qū),進(jìn) 一步了解后得知該位置正好為焊接的起弧點(diǎn)。

1.2 化學(xué)成分分析 

采用線切割方式在爆裂液壓油缸缸筒上截取試 樣 ,用直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,由表 1 可以看出:其化學(xué)成分均滿足 GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)45 # 鋼的要求。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試 

按照 GB/T699—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)45 # 鋼的要求, 在液壓油缸缸筒上取樣并進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn),結(jié) 果如表2所示,試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均滿足標(biāo) 準(zhǔn)要求,但其斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊吸收能 量均明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 掃描電鏡(SEM)分析

在裂紋源凹坑附近切取試樣,用酒精清洗后在 SEM 下觀察,結(jié)果如圖4所示,可見凹坑呈月牙形, 表面平整,邊緣有明顯的臺(tái)階[見圖4a)],將凹坑內(nèi) 部放大后觀察,發(fā)現(xiàn)表面呈細(xì)小的小韌窩特征[見圖 4b)],凹坑以外的斷裂面均有明顯的解理臺(tái)階和河 流花樣,符合解理脆性斷裂的特征,裂紋源附近未見 明顯的疲勞斷裂特征[見圖4c)][2-3]。

1.5 金相檢驗(yàn) 

在爆裂液壓油缸缸筒靠近焊接位置的凹坑處附 近取樣,將試樣平行于斷裂面的平面磨拋后,在光學(xué) 顯微鏡下觀察,按 GB/T10561—2005《鋼中非金屬 夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中 A 法 評(píng)定夾雜物級(jí)別為:硫化物(A)0 級(jí),氧化鋁(B)0級(jí),硅酸鹽(C)0級(jí),球狀氧化物(D)0級(jí),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[4]。

試樣經(jīng)體 積 分 數(shù) 為 4% 的 硝 酸 酒 精 溶 液 侵 蝕 后,對(duì)全壁厚截面進(jìn)行組織觀察,得到顯微組織為網(wǎng) 狀鐵素體+珠光體組織,有明顯的偏析,組織不均勻,存在混晶,部分珠光體呈不均勻的大塊狀,部分 鐵素體呈針狀,具有魏氏組織特征,組織形態(tài)較差, 液壓油缸缸筒的顯微組織如圖5所示。

2 綜合分析 

該液壓油缸缸筒的化學(xué)成分符合 GB/T699— 2015對(duì)45 # 鋼的要求。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明:液 壓油缸缸筒的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但 斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊吸收能量均明顯低 于標(biāo)準(zhǔn)要求,因此材料抵抗破壞的能力較低,脆性較 強(qiáng),一旦產(chǎn)生裂紋,裂紋很容易迅速擴(kuò)展[5]。

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明:液壓油缸缸筒的顯微組織 為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體組織,存在明顯的偏析,組織 不均勻,部分珠光體呈不均勻的大塊狀,部分鐵素體 呈針狀,具有魏氏組織特征,組織形態(tài)較差是導(dǎo)致材 料斷后伸長(zhǎng)率和沖擊吸收能量偏低的主要原因。

斷口SEM 分析結(jié)果表明:液壓油缸缸筒先形 成了一條穿透性主裂紋,后分叉形成數(shù)條次裂紋,油 缸缸筒外表面無明顯的塑性變形及鼓脹。主裂紋斷 口平齊有金屬光澤,斷口上可見收斂于半橢圓形凹 面的放射狀條紋,為典型的脆性斷裂宏觀特征[6]。 該凹面正好位于導(dǎo)向套和缸筒焊接的起弧點(diǎn)邊緣熱 影響區(qū),焊縫的起弧點(diǎn)在焊接時(shí)冷卻速度很快,如果 焊接工藝不當(dāng),則很容易在此位置產(chǎn)生裂紋[7]。

綜上所述,該液壓油缸缸筒爆裂的過程為:首先 在導(dǎo)向套和缸筒焊接的起弧點(diǎn)熱影響區(qū)位置產(chǎn)生半 橢圓形凹面裂紋,油缸服役時(shí)的過沖會(huì)帶來較大的 工作應(yīng)力,使油缸表面受較大拉應(yīng)力,當(dāng)裂紋穿過熱 影響區(qū)后快速擴(kuò)展,導(dǎo)致油缸缸筒爆裂。

3 結(jié)論 

(1)液壓油缸缸筒組織不均勻,部分珠光體呈 不均勻的大塊狀,部分鐵素體呈針狀,具有魏氏組織 特征,因此材料的斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊韌 性較低,脆性較強(qiáng)。 

(2)液壓油缸缸筒的焊接工藝不當(dāng)使焊接起弧 點(diǎn)附近出現(xiàn)裂紋,引起應(yīng)力集中,缸筒服役過程中, 在較大工作應(yīng)力作用下裂紋快速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致油 缸缸筒爆裂。

參考文獻(xiàn): 

[1] 王榮.液壓油缸外筒爆裂分析[J].理化檢驗(yàn)(物理分 冊(cè)),2011,47(9):570-574. 

[2] 王溫銀,顧永琴,葉海燕.液壓油缸開裂失效分析[J]. 金屬熱處理,2014,39(5):150-153. 

[3] 孫永慶,劉 振 寶,李 文 輝,等.05Cr17Ni4Cu4Nb 鋼 液 壓油缸開裂失效分析[J].金屬熱處理,2018,43(11): 239-242.

[4] 楊曉,王世寧,張先鋒,等.34CrNi3Mo鋼制軋輥斷裂 原因分析[J].理化檢驗(yàn) (物 理 分 冊(cè)),2019,55(10): 741-744. 

[5] 馬小明,熊燁.高壓水泵主軸斷裂失效分析[J].石油 化工設(shè)備技術(shù),2010,31(4):35-37. 

[6] 鐘群鵬,周煜,張崢.裂紋學(xué)[M].北京:高等教育出版 社,2014. 

[7] 于在洪,溫景輝,姜海雨.焊接裂紋的產(chǎn)生原因及防止 措施[J].科技信息,2011(8):769-770.

<文章來源>材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 58卷 > 8期 (pp:58-60)>