趙建華

(廣東省韶鑄集團有限公司，廣東512031)

人造金剛石制造設備鉸鏈梁斷裂失效分析

趙建華

(廣東省韶鑄集團有限公司，廣東512031)

分析了人造金剛石制造設備鉸鏈梁斷裂失效的原因。綜合各項分析得出結論，鉸鏈梁澆鑄形成的機械粘砂層是導致裂紋形成的主要原因，調質熱處理前未進行有效的退火處理使粗大的魏氏組織和發(fā)達的樹枝晶殘留，致使力學性能低下，最終使裂紋擴展導致失效。

鉸鏈梁;裂紋;失效分析

鉸鏈梁是人造金剛石制造設備——鉸鏈式六面頂液壓機的重要受力部件，工作時缸體承受很大的交變載荷，是六面頂液壓機的易損部件之一。我公司受委托對某廠生產的失效034 KM鉸鏈梁進行分析，該鉸鏈梁工作壓力為110 MPa，運行約2個月后因缸體出現裂紋而失效，因鉸鏈梁內裝缸套而未斷開。觀察得知裂紋有兩條，依其開口寬度判斷，裂紋均起源于相鄰兩耳部附近，并由此向缸底擴展，如圖1所示。鉸鏈梁材質為ZG35Cr1Mo，制造流程為:鑄造→退火預處理→調質熱處理→加工裝配→成品。

1 斷口分析

圖1 失效鉸鏈梁裂紋原貌Figure 1 Crack morphology of failure hinge beam

圖2 斷口形貌Figure 2 Fracturemorphology

圖2所示為耳部附近斷口形貌。斷面較齊平，有明顯放射狀棱線和臺階，斷口邊緣無塑性變形，呈脆性斷裂特征。根據放射紋收斂方向判斷主裂紋起源于箭頭所示的缸體外表面一段區(qū)域，由臺階分布可知主裂紋具有多源特征。對圖3所示的裂紋源區(qū)域放大觀察，發(fā)現沿缸體外表面分布有呈非金屬特征的粗糙顆粒物層，厚約5 mm，與缸體外表面緊密結合。

2 化學成分分析

對裂紋源處取樣進行化學成分分析，結果見表1。化學成分符合技術條件規(guī)定。

3 力學性能試驗

3.1 拉伸和沖擊試驗

圖3 裂紋源區(qū)形貌Figure 3 Themorphology of crack source area

表1 失效件化學成分(質量分數，%)Table 1 Chem ical compositions of the failure hinge beam(mass fraction，%)

表2 鉸鏈梁力學性能Table 2 M echanical properties of the hinge beam

拉伸和沖擊試驗結果見表2。伸長率、斷面收縮率等塑性值和沖擊功均遠低于技術條件的要求。

3.2 硬度梯度測試

為測試鉸鏈梁調質熱處理對表層的強化效果，由表及里進行硬度梯度測試，如圖4所示。鉸鏈梁整體硬度值偏低(技術條件要求硬度值為260～320 HBW)，且表層無明顯調質硬度梯度，表明該鉸鏈梁的調質效果不良。

4 低倍試驗

圖4 鉸鏈梁硬度梯度測試值分布圖Figure 4 Distribution map of the hardness gradient test values of hinge beam

圖5 裂紋源區(qū)低倍組織Figure 5 Themacrostructure of crack source zone

鉸鏈梁裂紋源區(qū)低倍組織形貌見圖5，低倍組織中有較嚴重的樹枝晶、縮松和孔隙等缺陷，這些缺陷區(qū)域延伸至表層柱狀晶區(qū)。表層柱狀晶較粗大，裂紋源區(qū)域表層柱狀晶間有明顯偏析線和晶界斷續(xù)微裂紋，見圖6。

5 顯微組織分析

對圖7所示的非金屬顆粒物層在較高倍數下切片觀察，為機械粘砂層，呈疏松海綿狀結構。在機械粘砂層與金屬基體結合面發(fā)現明顯裂紋及次生裂紋(見圖8)，浸蝕后顯示主裂紋及次生裂紋均沿原始粗大樹枝晶晶界擴展。

圖6 圖5箭頭處低倍組織Figure 6 Themacrostructure in the arrow position in figure 5

圖7 機械粘砂層(3×)Figure 7 Themechanical adhering sand layer(3×)

圖8 機械粘砂層和裂紋、次裂紋(5×)Figure 8 Themechanical adhering sand layer and cracks，secondary cracks(5×)

圖9 距外表面2mm處組織Figure 9 Themicrostructure of the position from external surface 2mm

圖10 心部組織Figure 10 Microstructure in core

在外表層觀察的組織如圖9所示，顯微組織以回火索氏體為主，有脫貧碳現象。ZG35Cr1Mo淬透性較好，耳部附近的缸體壁厚明顯小于其臨界淬透直徑的兩倍，該處心部組織如圖10所示，以回火索氏體為主。說明該處基本淬透，力學性能低下的原因是由于組織中殘留的粗大魏氏組織及發(fā)達的樹枝晶，這也是未能形成細晶粒調質層造成表層無明顯硬度梯度的原因。這表明調質前未進行有效的退火熱處理。

6 綜合分析

綜合以上檢驗和分析結果可知，失效鉸鏈梁化學成分符合技術條件要求。鉸鏈梁耳部外表面的機械粘砂層未被清理是導致裂紋源萌生于耳部附近外表面的主要原因。調質熱處理前未進行有效的退火預處理，使粗大樹枝晶和發(fā)達的魏氏組織等鑄態(tài)組織殘留在調質組織中，極大的影響了調質的效果，是造成其力學性能低下的主要原因。

機械粘砂屬于金屬液滲透粘砂，是鑄件澆鑄時高溫液態(tài)金屬通過毛細管滲透進入型腔表面砂粒間隙，在鑄件表面形成的金屬與砂粒機械混合的粘附層，其表面呈海綿狀牢固地粘附在鑄件表面不易清除。機械粘砂的形成原因眾多，如型砂質量、澆鑄溫度和壓力等，不但直接影響鑄件表面粗糙度，而且破壞了鑄件金屬表面的連續(xù)性，形成應力集中敏感區(qū)。

資料表明，六面頂液壓機運行時，進入油缸的高壓油推動活塞產生工作高壓，同時高壓也作用于鉸鏈梁內壁，形成巨大的擠壓應力，它與同時作用于缸體端面平臺的擠壓應力共同作用，使鉸鏈梁耳部附近的缸體外表面形成應力集中敏感區(qū)，任何破壞表面連續(xù)性的缺陷極易引發(fā)裂紋的萌生。失效分析也證明，該處是鉸鏈梁斷裂起源的多發(fā)區(qū)，這就對該部位的表面質量提出了較高的要求。本例鉸鏈梁在該部位存在機械粘砂層，其疏松狀的海綿結構是引發(fā)應力集中、萌生裂紋的根源。

眾所周知，亞共析鋼鑄件拆箱清理后應及時進行完全退火，目的之一是通過重結晶消除鑄造組織中的各種缺陷，為后續(xù)的熱處理做好組織準備。魏氏組織和樹枝晶都是大型鑄件組織中常見的缺陷，鋼中伴隨著晶粒粗大的魏氏組織的存在，雖然對抗拉強度影響不大，但卻能顯著地降低基體的塑性，特別是極大地降低沖擊韌性。柱狀晶區(qū)樹枝晶較發(fā)達時，相互平行的柱狀晶接觸面及相鄰垂直的柱狀晶粒界面常常聚集雜質、非金屬夾雜物和氣泡等，是大型鑄件表層脆弱的結合面。魏氏組織和樹枝晶等是可以通過有效的退火來消除的，亞共析鋼的完全退火是調質等后續(xù)熱處理之前不可或缺的預備熱處理。

7 結論

034KM鉸鏈梁耳部外表面的機械粘砂層是致裂的主要原因。調質熱處理前未進行有效的退火熱處理使粗大的魏氏組織和樹枝晶殘留，極大地影響了調質效果。鉸鏈梁力學性能低下是裂紋萌生后得以擴展導致鉸鏈梁失效的另一重要原因。

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編輯 杜青泉

Fracture Failure Analysis For Equipment Hinge Beam Manufactured by Synthetic Diamond

Zhao Jianhua

The reasons of the fracture failure are analyzed for the hinge beam manufactured by synthetic diamond. It can be concluded from various analyses that themechanical adhering sand layer generated during pouring hinge beam is themain reason to cause the crack formation，and the gross widmanstatten structure and developed dentrite residue without effective annealing treatment before quenching and tempering heat treatment which makes poor mechanical properties and finally results in crack propagation leading to failure.

hinge beam;crack;failure analysis

TG245

A

2013—03—01

趙建華(1969—)，男，質量工程師，主要從事鋼鐵材料質量檢驗及失效分析工作。