摘 要:某工程機(jī)械油缸活塞桿在使用初期即發(fā)生一次性脆性斷裂,通過(guò)宏觀分析、化學(xué)成分分 析、硬度測(cè)試、斷口分析及金相檢驗(yàn)對(duì)活塞桿斷裂失效的原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:熱處理工藝 不當(dāng)使該活塞桿中出現(xiàn)網(wǎng)狀鐵素體和魏氏組織,引起了晶界脆化,加之試樣中硫化物類夾雜含量較 高,導(dǎo)致活塞桿承受交變載荷的能力下降,最終發(fā)生脆性斷裂.

關(guān)鍵詞:活塞桿;脆性斷裂;夾雜物;感應(yīng)淬火;魏氏組織

中圖分類號(hào):TH１４２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７３３Ｇ０４

活塞桿是油缸中傳遞動(dòng)力的重要組件之一,其 質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到油缸使用的安全性[１].活塞 桿服役過(guò)程中受力復(fù)雜,一旦發(fā)生斷裂,很容易造成 嚴(yán)重事故.某工程機(jī)械油缸活塞桿采用４５鋼為原 材料,直徑為９０mm,其主要加工及熱處理工藝為: 粗車→調(diào)質(zhì)→粗車→表面淬火→粗磨→摩擦焊→精 磨→拋光→鍍鉻.該活塞桿在使用僅數(shù)百小時(shí)后即 發(fā)生斷裂,遠(yuǎn)低于正常使用壽命.為了找出該活塞 桿斷裂的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和 分析.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀分析

對(duì)活塞桿進(jìn)行宏觀形貌觀察,發(fā)現(xiàn)該活塞桿完 全斷裂,斷口位于桿體側(cè),接近摩擦焊縫,未發(fā)生明 顯塑性變形,為脆性斷裂;活塞桿表面鍍鉻層光亮均 勻,未見(jiàn)明顯磕碰或其他缺陷,見(jiàn)圖１a).斷口表面 粗糙,心部低,兩側(cè)高,心部存在一條向內(nèi)延伸的裂 紋,斷口表面最高處距離摩擦焊縫約５cm,最低處 距離摩擦焊縫約２cm;斷口具有明顯的臺(tái)階特征, 裂紋擴(kuò)展區(qū)呈放射線特征,見(jiàn)圖１b).

１．２ 化學(xué)成分分析

采用線切割法在斷裂活塞桿截面處取樣,通過(guò) ARL３４６０型直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié) 果見(jiàn)表 １.可 見(jiàn) 其 元 素 含 量 均 滿 足 GB/T６９９－ ２０１５«優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼»對(duì)４５鋼的要求.

１．３ 硬度測(cè)試

在活塞桿的表面感應(yīng)淬火區(qū)及內(nèi)部裂紋擴(kuò)展區(qū) 分別取樣進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試.測(cè)得感應(yīng)淬火區(qū)硬度 值為 ４０~４３ HRC;裂 紋 擴(kuò) 展 區(qū) 硬 度 值 為 ２１~ ２５HRC;活塞桿心部硬度值為１９~２２HRC.設(shè)計(jì) 要求活塞桿表面淬硬層硬度應(yīng)不小于５０HRC,心部硬度應(yīng)在２０~２５HRC之間.可見(jiàn)活塞桿表面感 應(yīng)淬火區(qū)及心部的硬度均低于設(shè)計(jì)要求.

１．４ 斷口分析

分別在斷口表面裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)取樣, 經(jīng)汽油清除油污和丙酮超聲波清洗后利用掃描電鏡 (SEM)對(duì)試樣進(jìn)行微觀形貌觀察.裂紋源區(qū)外表 面的薄層為鍍層,斷口表面平整,呈現(xiàn)接近金屬光澤 的白亮色,平直斷口的寬度約３mm,放大后可見(jiàn)斷 口呈結(jié)晶狀,為典型的沿晶斷裂,見(jiàn)圖２.裂紋擴(kuò)展 區(qū)存在河流花樣,為解理斷裂特征,且密集分布著沿 不同方向開裂的二次裂紋,局部可見(jiàn)細(xì)小的坑狀形 貌,說(shuō)明材料的脆性較高[２],見(jiàn)圖３.

１．５ 金相檢驗(yàn)

利用線切割在斷口表面和心部沿活塞桿徑向分 別取樣進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)和金相檢驗(yàn).表面裂 紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)均有明顯的硫化物夾雜,局部 夾雜物呈串鏈狀分布,見(jiàn)圖４.按照 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 的 A 法,評(píng) 定 得 出 夾 雜 物 級(jí) 別 為: A１．５,B０．５,C０．５,D０．５.

將試樣用體積分?jǐn)?shù)為４％的硝酸酒精溶液浸蝕后, 在金相顯微鏡下觀察其顯微組織形貌.活塞桿表面感 應(yīng) 淬火層組織主要為馬氏體和網(wǎng)狀、半網(wǎng)狀分布的白色鐵素體組織,組織較粗大,晶粒度為４．５級(jí),低于標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定的活塞桿晶粒度不小于５．５級(jí)的要求,見(jiàn)圖５.

活塞桿心部組織主要為回火索氏體和網(wǎng)狀白色 鐵素體,部分鐵素體呈針狀向晶內(nèi)生長(zhǎng);另外還有魏 氏組織特征,該組織較粗大,一般為過(guò)熱所致,晶粒 度為４．５級(jí),低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的活塞桿晶粒度不小于 ５．５級(jí)的要求,見(jiàn)圖６.魏氏組織的存在會(huì)顯著降低 材料的力學(xué)性能和晶界結(jié)合力[３],使其斷裂韌度大 幅度降低,導(dǎo)致裂紋在較大外力作用下迅速失穩(wěn)擴(kuò) 展,最終造成材料斷裂失效.

１．６ 鍍層厚度檢測(cè)

垂直于鍍層平面截取試樣,經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于 光學(xué)顯微鏡下,按照 GB/T６４６２－２００５«金屬和氧 化物覆蓋層 厚度測(cè)量 顯微鏡法»沿顯微斷面選取 ５點(diǎn)測(cè) 量 鍍 層 厚 度,測(cè) 量 結(jié) 果 為 ２４．８,２５．６,２５．１, ２５．２,２５．９ μm,試 樣 表 面 鍍 鉻 層 平 均 厚 度 為 ２５．３μm,符合鍍鉻層厚度大于２０．０μm 的要求.

２ 分析與討論

該斷裂活塞桿的化學(xué)成分和表面鍍層厚度均符 合要求;表面感應(yīng)淬火區(qū)硬度及心部硬度則低于設(shè) 計(jì)要求;該活塞桿中存在較高含量的硫化物夾雜,評(píng) 定結(jié)果約為 A１．５級(jí),夾雜物對(duì)基體有割裂作用.

該活塞桿在工作過(guò)程中做往復(fù)運(yùn)動(dòng),主要承受軸向拉壓作用力和一定的彎曲應(yīng)力,由斷口形貌及 受力狀態(tài)綜合判斷,裂紋起源于活塞桿受力較大一 側(cè)的表面,向心部擴(kuò)展并延伸至另一側(cè)表面,最終導(dǎo) 致斷裂[４Ｇ５].

活塞桿采用的是調(diào)質(zhì) ＋ 表面淬火的熱處理工 藝,正常情況下,表面組織應(yīng)為細(xì)針馬氏體.采用調(diào) 質(zhì)處理后,其心部組織應(yīng)為細(xì)小、均勻的回火索氏 體.細(xì)針馬氏體具有高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐磨性 和耐沖擊性,回火索氏體具有較好的綜合力學(xué)性能, 能滿足活塞桿的使用要求.而該活塞桿表面感應(yīng)淬 火區(qū)的組織為馬氏體＋網(wǎng)狀、半網(wǎng)狀鐵素體,晶粒較 粗大;心部組織為回火索氏體＋網(wǎng)狀鐵素體,部分鐵 素體呈魏氏組織特征,組織較粗大.網(wǎng)狀鐵素體和 魏氏組織的存在使活塞桿脆性增大,加之其硬度值 較低,在較大載荷作用下容易發(fā)生脆性斷裂[６].

粗大的奧氏體晶粒和一定的冷卻速度是魏氏組 織形成的主要原因.對(duì)于亞共析鋼,當(dāng)加熱溫度略 高于AC３或經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的保溫時(shí),會(huì)發(fā)生珠光體向 奧氏體的轉(zhuǎn)變,自由鐵素體消失,組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)檩^ 細(xì)的奧氏體晶粒,若進(jìn)一步提高溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí) 間,奧氏體晶粒將粗化.當(dāng)奧氏體晶粒比較粗大,而 冷卻速度 不 適 當(dāng) 時(shí),就 會(huì) 在 晶 粒 內(nèi) 部 產(chǎn) 生 魏 氏 組 織[７].網(wǎng)狀鐵素體的產(chǎn)生通常是由熱處理時(shí)冷卻速 度過(guò)慢所致.

該活塞桿生產(chǎn)過(guò)程中,鍛造、正火與淬火都需要 將材料加熱到 AC３ 溫度以上,因此這３個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì) 對(duì)材料的組織產(chǎn)生影響,其中鍛造加工時(shí)的溫度最 高,最有可能出現(xiàn)過(guò)熱組織.始鍛或終鍛溫度過(guò)高, 必然會(huì)造成奧氏體晶粒粗大,這為魏氏組織的產(chǎn)生 創(chuàng)造了條件.若鍛后冷速較快,便會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的魏 氏組織,采用正火熱處理是無(wú)法將其消除的,隨后的 淬火和高溫回火過(guò)程中,粗大的奧氏體晶粒將遺傳 下來(lái),致使組織中的魏氏組織也被保留下來(lái)[８].由上述分析可知,在調(diào)質(zhì)熱處理過(guò)程中不可能出現(xiàn)晶 粒粗大的奧氏體而形成魏氏組織,因此魏氏組織只 能是在鍛造過(guò)程中出現(xiàn)的[９].

３ 結(jié)論

該活塞桿的失效模式屬于脆性斷裂,裂紋起源 于活塞桿表面.熱處理工藝不當(dāng)使得活塞桿組織不 良,表面和心部均有明顯的網(wǎng)狀鐵素體和魏氏組織, 嚴(yán)重降低了晶界結(jié)合力,導(dǎo)致力學(xué)性能和斷裂韌度 大幅度降低.同時(shí)活塞桿的表面和心部硬度偏低, 硫化物類夾雜含量偏高,進(jìn)一步降低了活塞桿抵抗 外加載荷的能力,導(dǎo)致其在正常服役情況下,承受交 變應(yīng)力的能力下降而發(fā)生脆性斷裂.

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<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>55卷>10期(pp:733-736)>