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分享：油缸活塞杆断裂原因分析

时间：2025-02-26 05:11:20 来源：白骨问萍网作者：百科阅读：128次

原标题：分享：油缸活塞杆断裂原因分析摘要:某工程机械油缸活塞杆在使用初期即发生一次性脆性断裂,分享通过宏观分析、化学成分分析、油缸因分硬度测试、活塞断口分析及金相检验对活塞杆断裂失效的杆断原因进行了分析.结果表明:热处理工艺不当使该活塞杆中出现网状铁素体和魏氏组织,引起了晶界脆化,加之试样中硫化物类夹杂含量较高,导致活塞杆承受交变载荷的能力下降,最终发生脆性断裂. 关键词:活塞杆;脆性断裂;夹杂物;感应淬火;魏氏组织中图分类号:TH１４２．１文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７３３Ｇ０４活塞杆是油缸中传递动力的重要组件之一,其质量的好坏直接关系到油缸使用的安全性[１].活塞杆服役过程中受力复杂,一旦发生断裂,很容易造成严重事故.某工程机械油缸活塞杆采用４５钢为原材料,直径为９０mm,其主要加工及热处理工艺为: 粗车→调质→粗车→表面淬火→粗磨→摩擦焊→精磨→抛光→镀铬.该活塞杆在使用仅数百小时后即发生断裂,远低于正常使用寿命.为了找出该活塞杆断裂的原因,笔者对其进行了一系列理化检验和分析. １理化检验１．１宏观分析对活塞杆进行宏观形貌观察,发现该活塞杆完全断裂,断口位于杆体侧,接近摩擦焊缝,未发生明显塑性变形,为脆性断裂;活塞杆表面镀铬层光亮均匀,未见明显磕碰或其他缺陷,见图１a).断口表面粗糙,心部低,两侧高,心部存在一条向内延伸的裂纹,断口表面最高处距离摩擦焊缝约５cm,最低处距离摩擦焊缝约２cm;断口具有明显的台阶特征, 裂纹扩展区呈放射线特征,见图１b). １．２化学成分分析采用线切割法在断裂活塞杆截面处取样,通过 ARL３４６０型直读光谱仪对其进行化学成分分析,结果见表１.可见其元素含量均满足 GB/T６９９－２０１５«优质碳素结构钢»对４５钢的要求. １．３硬度测试在活塞杆的表面感应淬火区及内部裂纹扩展区分别取样进行洛氏硬度测试.测得感应淬火区硬度值为４０~４３ HRC;裂纹扩展区硬度值为２１~ ２５HRC;活塞杆心部硬度值为１９~２２HRC.设计要求活塞杆表面淬硬层硬度应不小于５０HRC,心部硬度应在２０~２５HRC之间.可见活塞杆表面感应淬火区及心部的硬度均低于设计要求. １．４断口分析分别在断口表面裂纹源区和裂纹扩展区取样, 经汽油清除油污和丙酮超声波清洗后利用扫描电镜 (SEM)对试样进行微观形貌观察.裂纹源区外表面的薄层为镀层,断口表面平整,呈现接近金属光泽的白亮色,平直断口的宽度约３mm,放大后可见断口呈结晶状,为典型的沿晶断裂,见图２.裂纹扩展区存在河流花样,为解理断裂特征,且密集分布着沿不同方向开裂的二次裂纹,局部可见细小的坑状形貌,说明材料的脆性较高[２],见图３. １．５金相检验利用线切割在断口表面和心部沿活塞杆径向分别取样进行非金属夹杂物检测和金相检验.表面裂纹源区和裂纹扩展区均有明显的硫化物夹杂,局部夹杂物呈串链状分布,见图４.按照 GB/T１０５６１－２００５«钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法»中的 A 法,评定得出夹杂物级别为: A１．５,B０．５,C０．５,D０．５. 将试样用体积分数为４％的硝酸酒精溶液浸蚀后, 在金相显微镜下观察其显微组织形貌.活塞杆表面感应淬火层组织主要为马氏体和网状、半网状分布的裂原白色铁素体组织,组织较粗大,晶粒度为４．５级,低于标准规定的活塞杆晶粒度不小于５．５级的要求,见图５. 活塞杆心部组织主要为回火索氏体和网状白色铁素体,部分铁素体呈针状向晶内生长;另外还有魏氏组织特征,该组织较粗大,一般为过热所致,晶粒度为４．５级,低于标准规定的活塞杆晶粒度不小于５．５级的要求,见图６.魏氏组织的存在会显著降低材料的力学性能和晶界结合力[３],使其断裂韧度大幅度降低,导致裂纹在较大外力作用下迅速失稳扩展,最终造成材料断裂失效. １．６镀层厚度检测垂直于镀层平面截取试样,经镶嵌、磨抛后置于光学显微镜下,分享按照 GB/T６４６２－２００５«金属和氧化物覆盖层厚度测量显微镜法»沿显微断面选取５点测量镀层厚度,测量结果为２４．８,２５．６,２５．１, ２５．２,２５．９ μm,试样表面镀铬层平均厚度为２５．３μm,符合镀铬层厚度大于２０．０μm 的要求. ２分析与讨论该断裂活塞杆的化学成分和表面镀层厚度均符合要求;表面感应淬火区硬度及心部硬度则低于设计要求;该活塞杆中存在较高含量的硫化物夹杂,评定结果约为 A１．５级,夹杂物对基体有割裂作用. 该活塞杆在工作过程中做往复运动,主要承受轴向拉压作用力和一定的弯曲应力,由断口形貌及受力状态综合判断,裂纹起源于活塞杆受力较大一侧的表面,向心部扩展并延伸至另一侧表面,最终导致断裂[４Ｇ５]. 活塞杆采用的是调质＋表面淬火的热处理工艺,正常情况下,表面组织应为细针马氏体.采用调质处理后,其心部组织应为细小、均匀的油缸因分回火索氏体.细针马氏体具有高强度、高硬度、活塞良好的杆断耐磨性和耐冲击性,回火索氏体具有较好的综合力学性能, 能满足活塞杆的使用要求.而该活塞杆表面感应淬火区的组织为马氏体＋网状、半网状铁素体,裂原晶粒较粗大;心部组织为回火索氏体＋网状铁素体,部分铁素体呈魏氏组织特征,组织较粗大.网状铁素体和魏氏组织的存在使活塞杆脆性增大,加之其硬度值较低,在较大载荷作用下容易发生脆性断裂[６]. 粗大的奥氏体晶粒和一定的冷却速度是魏氏组织形成的主要原因.对于亚共析钢,当加热温度略高于AC３或经较长时间的保温时,会发生珠光体向奥氏体的转变,自由铁素体消失,组织全部转变为较细的奥氏体晶粒,若进一步提高温度或延长保温时间,奥氏体晶粒将粗化.当奥氏体晶粒比较粗大,而冷却速度不适当时,就会在晶粒内部产生魏氏组织[７].网状铁素体的产生通常是由热处理时冷却速度过慢所致. 该活塞杆生产过程中,锻造、正火与淬火都需要将材料加热到 AC３温度以上,分享因此这３个环节都会对材料的组织产生影响,其中锻造加工时的温度最高,最有可能出现过热组织.始锻或终锻温度过高, 必然会造成奥氏体晶粒粗大,这为魏氏组织的产生创造了条件.若锻后冷速较快,便会产生严重的魏氏组织,采用正火热处理是无法将其消除的,随后的淬火和高温回火过程中,粗大的奥氏体晶粒将遗传下来,致使组织中的魏氏组织也被保留下来[８].由上述分析可知,在调质热处理过程中不可能出现晶粒粗大的奥氏体而形成魏氏组织,因此魏氏组织只能是在锻造过程中出现的[９]. ３结论该活塞杆的失效模式属于脆性断裂,裂纹起源于活塞杆表面.热处理工艺不当使得活塞杆组织不良,表面和心部均有明显的网状铁素体和魏氏组织, 严重降低了晶界结合力,导致力学性能和断裂韧度大幅度降低.同时活塞杆的表面和心部硬度偏低, 硫化物类夹杂含量偏高,进一步降低了活塞杆抵抗外加载荷的能力,导致其在正常服役情况下,承受交变应力的能力下降而发生脆性断裂. 参考文献: [１] 李毅,朱鹏霄,陈波．油缸活塞杆断裂失效分析[J]．理化检验(物理分册),２０１５,５１(１１):８２４Ｇ８２６． [２] HULLD．Fractography:Observing,Measuringand Interpreting Fracture Surface Topography[M]． Cambridge:CambridgeUniversityPress,１９９９． [３] 周仲荣,LEO V．微动磨损[M]．北京:科学出版社, ２００２． [４] 吴佳峻．１８CrNiMo７Ｇ６钢齿轮轴开裂失效分析[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(９):６７１Ｇ６７４． [５] 胡伟勇,王峰,张泽南,等．３Cr２W８V 合金钢轴承套圈用热挤压心棒断裂失效分析[J]．理化检验(物理分册),２０１８,５４(７):５２３Ｇ５２５． [６] 马永恒．减震器活塞杆断裂失效分析[J]．理化检验 (物理分册),２０１３,４９(增刊２):３６１Ｇ３６３． [７] 杨星红,王荣．电梯驱动轴断裂原因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１４,５０(４):２９２Ｇ２９５． [８] 上海市机械制造工艺研究所．金相分析技术[M]．上海:上海科学技术文献出版社,１９８７． [９] 朱大滨,王志文,潘辑娣,等．压缩机活塞杆断裂失效分析[J]．理化检验(物理分册),２００６,４２(３):１４０Ｇ１４３． <文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 55卷 > 10期 (pp:733-736)>返回搜狐，油缸因分查看更多责任编辑：

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