張 強(qiáng), 王書強(qiáng), 周 濤

[國(guó)家船舶材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(江蘇), 江陰 214434]

礦用卡車是礦產(chǎn)資源運(yùn)輸?shù)闹匾煌üぞ?，其通常在工況較差的野外服役。前懸掛是礦用卡車的重要組成部件，有支撐整車、緩沖、減震和受力傳遞的作用[1]。某重型礦用卡車在正常服役500 h后發(fā)生前懸掛油缸活塞桿斷裂事故。該油缸活塞桿材料為27SiMn鋼，規(guī)格為 320 mm×48 mm(外徑×壁厚)，主要加工工藝為：整體模鍛件鍛后正火→下料→粗車→調(diào)質(zhì)熱處理→半精車→表面感應(yīng)淬火→精車→表面鍍鉻→拋光。

為查明該活塞桿斷裂的原因，筆者對(duì)斷裂的活塞桿部件進(jìn)行理化檢驗(yàn)，對(duì)其斷裂原因進(jìn)行了分析，以防止該類事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

前懸掛油缸活塞桿斷口的宏觀形貌如圖1所示，根據(jù)斷口裂紋擴(kuò)展花樣分析[2]，斷口基本呈橫向斷裂，裂紋的走向是由活塞桿一側(cè)外表面向另一側(cè)擴(kuò)展，裂紋源區(qū)斷面平滑，呈弧形擴(kuò)展，具有明顯的疲勞斷裂特征，疲勞源位于活塞桿外側(cè)近邊緣處。活塞桿斷裂面最外側(cè)約1.6 mm寬度區(qū)域，斷口形貌與疲勞裂紋擴(kuò)展平面的特征明顯不同，并可見明顯的臺(tái)階。斷口上疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)面積較小且表面形貌較為平坦，最后瞬間斷裂區(qū)面積較大且較為粗糙，呈人字條紋，說(shuō)明最后斷裂時(shí)所受的工作應(yīng)力較大[3]。

圖1 活塞桿斷口宏觀形貌

在斷口附近切割試樣，縱向(垂直于斷裂面)磨拋后在體式顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)感應(yīng)淬火層內(nèi)有兩條平行于斷口的裂紋，裂紋較直，尾端尖細(xì)，長(zhǎng)度均約為1.6 mm(見圖2)。

圖2 斷口附近縱向形貌

1.2 化學(xué)成分分析

利用線切割方式在斷裂油缸活塞桿上截取試樣，用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出:試樣的化學(xué)成分均滿足GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)27SiMn鋼的要求。

表1 油缸活塞桿的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

按照GB/T 3077—2015中對(duì)27SiMn鋼的要求和廠方技術(shù)要求，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，由表2可知：試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均低于GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)和廠方技術(shù)要求，沖擊吸收能量滿足GB/T 3077—2015的要求。

表2 油缸活塞桿的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

1.4 硬度及硬化層深度測(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)試結(jié)果為：活塞桿斷口表面感應(yīng)淬火區(qū)硬度為40～43 HRC。離開表面感應(yīng)淬火區(qū)硬度迅速降低，裂紋擴(kuò)展區(qū)硬度為21～25 HRC，活塞桿心部硬度約為19～22 HRC。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，活塞桿表面淬硬層硬度應(yīng)不小于50 HRC，心部硬度應(yīng)為20～25 HRC?；钊麠U表面感應(yīng)淬火區(qū)硬度及心部硬度均低于設(shè)計(jì)要求。

取活塞桿橫截面試樣，經(jīng)磨拋后根據(jù)GB/T 5617—2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測(cè)定》測(cè)量其淬火有效硬化層深度，硬度測(cè)試位置間隔為0.1 mm。GB/T 5617—2005要求表面的最低硬度為550 HV，極限硬度為440 HV，測(cè)試試樣的有效硬化層深度為1.69 mm，依據(jù)該前懸掛油缸活塞桿制造工藝要求，淬硬層應(yīng)達(dá)到2～3 mm，測(cè)試結(jié)果低于GB/T 5617—2005標(biāo)準(zhǔn)要求(見圖3)。

圖3 活塞桿有效硬化層深度測(cè)量曲線

1.5 斷口微觀形貌分析

在表面裂紋源區(qū)附近取斷口試樣，經(jīng)汽油+丙酮清洗后，用掃描電鏡(SEM)對(duì)斷口進(jìn)行觀察，其微觀形貌如圖4所示。由圖4可以看出:試樣最外層為表面感應(yīng)淬火裂紋區(qū)，該區(qū)域斷口宏觀形貌較為平整，與疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的臺(tái)階；疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞輝紋，屬于準(zhǔn)解理斷裂[4-5]；瞬間斷裂區(qū)的微觀形貌主要是解理及準(zhǔn)解理脆性斷口，表明材料的脆性較大[6]。

圖4 活塞桿斷口SEM形貌

1.6 金相檢驗(yàn)

在靠近斷口附近取金相試樣，垂直斷裂面磨拋后，在光學(xué)顯微鏡下觀察材料從表面至心部夾雜物的情況，按照GB/T 10561—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)定試樣夾雜物級(jí)別為：A類硫化物0級(jí)，B類氧化鋁0級(jí)，C類硅酸鹽0級(jí)，D類球狀氧化物0.5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[7]。試樣經(jīng)4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕后，從表面至心部觀察活塞桿剖面顯微組織形貌(見圖5)。由圖5可知：試樣的表面組織為細(xì)針馬氏體組織，表面可見向心部延伸的縱向裂紋，深度約為1.68 mm，與硬度法測(cè)得的淬火有效硬化層深度結(jié)果基本一致，裂紋兩側(cè)無(wú)明顯脫碳現(xiàn)象，表面鍍鉻層擠壓損傷嚴(yán)重，呈不均勻分布的斷續(xù)狀；過(guò)渡區(qū)組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體組織，鐵素體呈長(zhǎng)條狀和少量針狀；心部基體組織為珠光體+鐵素體，鐵素體沿晶界呈網(wǎng)狀分布[8]。

圖5 活塞桿剖面顯微組織形貌

2 綜合分析

從金相檢驗(yàn)結(jié)果可以看出：該前懸掛油缸活塞桿除表面感應(yīng)淬火區(qū)(寬度不大于2 mm)外的基體組織主要為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，該組織會(huì)大大降低材料的抗拉強(qiáng)度和塑性，容易引起變形及斷裂[9]。該活塞桿壁厚只有48 mm，正常調(diào)質(zhì)熱處理完全可以使整個(gè)截面淬透，回火后得到回火索氏體組織，而該活塞桿表面除感應(yīng)淬火區(qū)以外均為珠光體+鐵素體組織，判斷該油缸活塞桿缺少應(yīng)有的調(diào)質(zhì)熱處理工序，而是直接以熱加工正火態(tài)組織進(jìn)行后續(xù)的表面感應(yīng)淬火強(qiáng)化處理[10]。按照相關(guān)技術(shù)文件規(guī)定，該活塞桿表面感應(yīng)淬火前應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，從而獲得回火索氏體組織，一方面可以使活塞桿獲得足夠的抗拉強(qiáng)度和良好的韌性，另一方面回火索氏體組織可以為后續(xù)的表面感應(yīng)淬火提供良好的組織準(zhǔn)備[11]。

在斷口附近切割垂直于斷裂面的試樣，磨拋后觀察試樣，發(fā)現(xiàn)表面至少有2條垂直于外表面但平行于疲勞裂紋擴(kuò)展面的裂紋。裂紋開始于表面，貫穿感應(yīng)淬火硬化層，終止于硬化層與基體組織交界處，裂紋較直，尾端尖細(xì)，長(zhǎng)度約為1.6 mm，與硬度法測(cè)得的淬火有效硬化層深度結(jié)果基本一致。腐蝕后觀察裂紋兩側(cè)無(wú)明顯的脫碳現(xiàn)象，從而可以判斷該裂紋是在表面感應(yīng)淬火過(guò)程中產(chǎn)生的，在活塞桿服役過(guò)程中該裂紋引起了后續(xù)疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展。

3 結(jié)論

對(duì)該前懸掛油缸活塞桿進(jìn)行熱處理時(shí)，整體正火處理后未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理就直接進(jìn)行了表面感應(yīng)淬火處理，導(dǎo)致該活塞桿的抗拉強(qiáng)度和韌性較低，感應(yīng)淬火時(shí)產(chǎn)生了感應(yīng)淬火裂紋。油缸活塞桿在服役過(guò)程中受拉壓作用力的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在惡劣的服役環(huán)境和較大的疲勞載荷作用下，活塞桿感應(yīng)淬火裂紋尖端開始形成疲勞裂紋并向內(nèi)擴(kuò)展，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，活塞桿所受載荷超過(guò)其承載力，最終導(dǎo)致活塞桿瞬間斷裂。