人造金剛石制造設(shè)備鉸鏈梁斷裂失效分析

趙建華

(廣東省韶鑄集團(tuán)有限公司，廣東512031)

人造金剛石制造設(shè)備鉸鏈梁斷裂失效分析

趙建華

(廣東省韶鑄集團(tuán)有限公司，廣東512031)

分析了人造金剛石制造設(shè)備鉸鏈梁斷裂失效的原因。綜合各項分析得出結(jié)論，鉸鏈梁澆鑄形成的機(jī)械粘砂層是導(dǎo)致裂紋形成的主要原因，調(diào)質(zhì)熱處理前未進(jìn)行有效的退火處理使粗大的魏氏組織和發(fā)達(dá)的樹枝晶殘留，致使力學(xué)性能低下，最終使裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致失效。

鉸鏈梁;裂紋;失效分析

鉸鏈梁是人造金剛石制造設(shè)備——鉸鏈?zhǔn)搅骓斠簤簷C(jī)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(jī)的易損部件之一。我公司受委托對某廠生產(chǎn)的失效034 KM鉸鏈梁進(jìn)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(xiàn)裂紋而失效，因鉸鏈梁內(nèi)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(kuò)展，如圖1所示。鉸鏈梁材質(zhì)為ZG35Cr1Mo，制造流程為:鑄造→退火預(yù)處理→調(diào)質(zhì)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(jù)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(xiàn)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(jié)合。

2 化學(xué)成分分析

對裂紋源處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。化學(xué)成分符合技術(shù)條件規(guī)定。

3 力學(xué)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chem ical compositions of the failure hinge beam(mass fraction，%)

表2 鉸鏈梁力學(xué)性能Table 2 M echanical properties of the hinge beam

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

3.2 硬度梯度測試

為測試鉸鏈梁調(diào)質(zhì)熱處理對表層的強化效果，由表及里進(jìn)行硬度梯度測試，如圖4所示。鉸鏈梁整體硬度值偏低(技術(shù)條件要求硬度值為260～320 HBW)，且表層無明顯調(diào)質(zhì)硬度梯度，表明該鉸鏈梁的調(diào)質(zhì)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(yán)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(shù)下切片觀察，為機(jī)械粘砂層，呈疏松海綿狀結(jié)構(gòu)。在機(jī)械粘砂層與金屬基體結(jié)合面發(fā)現(xiàn)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(kuò)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(jī)械粘砂層(3×)Figure 7 Themechanical adhering sand layer(3×)

圖8 機(jī)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(xiàn)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(xué)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(dá)的樹枝晶，這也是未能形成細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)層造成表層無明顯硬度梯度的原因。這表明調(diào)質(zhì)前未進(jìn)行有效的退火熱處理。

6 綜合分析

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

機(jī)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(xì)管滲透進(jìn)入型腔表面砂粒間隙，在鑄件表面形成的金屬與砂粒機(jī)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(jī)械粘砂的形成原因眾多，如型砂質(zhì)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(yīng)力集中敏感區(qū)。

資料表明，六面頂液壓機(jī)運行時，進(jìn)入油缸的高壓油推動活塞產(chǎn)生工作高壓，同時高壓也作用于鉸鏈梁內(nèi)壁，形成巨大的擠壓應(yīng)力，它與同時作用于缸體端面平臺的擠壓應(yīng)力共同作用，使鉸鏈梁耳部附近的缸體外表面形成應(yīng)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(zhì)量提出了較高的要求。本例鉸鏈梁在該部位存在機(jī)械粘砂層，其疏松狀的海綿結(jié)構(gòu)是引發(fā)應(yīng)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(yīng)及時進(jìn)行完全退火，目的之一是通過重結(jié)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(zhǔn)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(dá)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(zhì)、非金屬夾雜物和氣泡等，是大型鑄件表層脆弱的結(jié)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(diào)質(zhì)等后續(xù)熱處理之前不可或缺的預(yù)備熱處理。

7 結(jié)論

034KM鉸鏈梁耳部外表面的機(jī)械粘砂層是致裂的主要原因。調(diào)質(zhì)熱處理前未進(jìn)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(diào)質(zhì)效果。鉸鏈梁力學(xué)性能低下是裂紋萌生后得以擴(kuò)展導(dǎo)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(zhì)量工程師，主要從事鋼鐵材料質(zhì)量檢驗及失效分析工作。