剎車裝置承壓杯開(kāi)裂原因分析

趙 凱，何玉懷，劉新靈，陶春虎

(1.北京航空材料研究院 中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

0 引言

30CrMnSiA 鋼是使用最廣泛的調(diào)質(zhì)鋼之一，在淬火高溫回火狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性［1］。30CrMnSiA 鋼被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)施中，尤其是在壓力容器、航空航天、核電站等領(lǐng)域。由于承受比較惡劣的環(huán)境，鋼材及其構(gòu)件的斷裂不僅容易發(fā)生而且會(huì)造成嚴(yán)重的后果;因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼材的斷裂研究比較多，也取得了很多的成果［2-7］。

剎車裝置上的承壓杯通常被認(rèn)為只承受來(lái)自于剎車片的壓應(yīng)力，但是考慮到承壓杯的結(jié)構(gòu)，在受到來(lái)自于剎車片的壓應(yīng)力時(shí)承壓杯的某些位置也會(huì)受到拉應(yīng)力的作用。再加上承壓杯的表面處理狀態(tài)及使用環(huán)境，若對(duì)剎車裝置承壓杯的受力認(rèn)識(shí)不清楚，則很容易導(dǎo)致故障的發(fā)生。

承壓杯所用材料為30CrMnSiA 鋼，熱處理工藝為:(890±5)℃保溫35 min，油淬，(500±5)℃保溫65 min 回火，空冷。熱處理后承壓杯硬度要求為HRC 36～42。承壓杯表面進(jìn)行鍍鎘處理(厚度為8～12 μm)，然后進(jìn)行除氫處理，除氫工藝為(190±5)℃保溫3～5 h。承壓杯表面涂一層鋁色有機(jī)硅耐熱漆(厚度為20～30 μm)。

剎車殼體所用的材料為TC11 鈦合金，有12個(gè)承壓杯安裝孔，承壓杯通過(guò)鉚釘安裝在剎車殼體上，鉚釘與安裝孔為間隙配合。在剎車過(guò)程中，承壓杯支撐剎車片，上表面受到壓應(yīng)力的作用。在剎車過(guò)程中剎車片摩擦產(chǎn)生的熱會(huì)傳遞給承壓杯，承壓杯要經(jīng)歷400 ℃以上的溫度。本批次承壓杯在使用過(guò)程中共有7 個(gè)發(fā)生開(kāi)裂。

本研究對(duì)承壓杯外觀進(jìn)行了觀察，對(duì)承壓杯斷口進(jìn)行了宏微觀觀察、能譜分析、金相組織檢查、氫含量檢測(cè)以及有限元仿真模擬計(jì)算，確定了承壓杯的開(kāi)裂性質(zhì)，并分析了承壓杯的失效原因;提出了改進(jìn)建議，為預(yù)防此類故障的再次發(fā)生提供借鑒。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

承壓杯在剎車殼體上呈周向分布，一周分布12 個(gè)(圖1)。承壓杯上表面的耐熱漆層已經(jīng)不完整，呈灰色，有磨損痕跡;下表面的耐熱漆層相對(duì)完整，漆層呈金黃色。承壓杯裂紋從上表面根部倒圓角處起裂，但尚未完全裂透(圖2)。

圖1 失效件外觀Fig.1 Macro appearance of the failed part

1.2 斷口宏觀觀察

將承壓杯斷口打開(kāi)后用丙酮超聲清洗，然后放在OLYMPUS 體視顯微鏡下進(jìn)行觀察，故障件斷口表面呈暗黃色，斷口較為平整，存在二次裂紋。斷面可見(jiàn)源區(qū)，源區(qū)呈線源特征，可以觀察到放射棱線，方向由上表面指向下表面(圖3)。

圖2 承壓杯形貌Fig.2 Appearance of the bearing cup

圖3 斷口形貌Fig.3 Appearance of the fractures

1.3 斷口微觀觀察

在JSM5600LV 掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌。斷口較為平整，可見(jiàn)明顯的二次裂紋(圖4a)。源區(qū)附近表面覆蓋一層物質(zhì)(圖4b、圖4c)。只有部分覆蓋物少的區(qū)域可觀察到沿晶脆性斷裂特征(圖4d、圖4e)。另外在部分區(qū)域還可觀察到解理斷裂特征(圖4f)，瞬斷區(qū)為韌窩(圖4g)。

圖4 斷口微觀形貌Fig.4 Micro appearance of the fracture surface

1.4 能譜檢測(cè)分析

對(duì)承壓杯斷口化學(xué)成分進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。承壓杯斷口大部分區(qū)域存在覆蓋物。由測(cè)試結(jié)果可知，承壓杯斷口覆蓋物為Cd 且被氧化，人工打開(kāi)區(qū)則未發(fā)現(xiàn)Cd 和O。

表1 能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 EDS analysis results of the fractures (mass fraction/%)

1.5 氫含量檢測(cè)

從開(kāi)裂的承壓杯上切取試樣，對(duì)試樣進(jìn)行氫含量檢測(cè)。結(jié)果表明，開(kāi)裂的承壓杯氫含量為0.2 mg/L。

1.6 金相檢查

從承壓杯上沿軸向方向制取金相試樣，磨制拋光后用硝酸酒精腐蝕觀察。承壓杯金相組織均為回火索氏體+鐵素體，未見(jiàn)冶金缺陷(圖5)。

1.7 硬度檢查

從承壓杯上沿軸向方向制取硬度試樣，磨拋后進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，并參照GB/T 1172—1999《金屬硬度檢測(cè)技術(shù)手冊(cè)》換算成洛氏硬度，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 結(jié)果可知硬度值存在波動(dòng)，這可能與硬度測(cè)試的位置索氏體含量偏少而鐵素體含量偏多有關(guān)。但承壓杯的硬度平均值符合技術(shù)要求(HRC 36～42)。

圖5 承壓杯金相組織Fig.5 Microstructure of the bearing cup

表2 硬度測(cè)試結(jié)果Table 2 Hardness of the failed part

1.8 仿真模擬

在ABAQUS 有限元軟件中對(duì)承壓杯進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格采用六面體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)18 703，單元數(shù)15 753，單元類型為C3D8R。承壓杯下端全約束，上表面施加20 MPa 壓應(yīng)力(工作載荷)，最后提交運(yùn)算。從計(jì)算結(jié)果可以明顯看出，承壓杯的最大拉應(yīng)力位置在根部導(dǎo)圓角處(圖6)。

圖6 有限元計(jì)算結(jié)果Fig.6 Results of simulation

1.9 模擬試驗(yàn)

為復(fù)現(xiàn)故障，仿照承壓杯的工作狀態(tài)對(duì)一完好的承壓杯進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。將此承壓杯固定在一夾具上，承壓杯下端固定，上端受到頂桿的作用力(圖7)。然后將此套裝置放在箱式爐中進(jìn)行保溫，保溫溫度為400 ℃，每隔一段時(shí)間取出試驗(yàn)件空冷后再放回箱式爐中，如此反復(fù)3 h 后承壓杯即發(fā)生斷裂。

對(duì)承壓杯試驗(yàn)件進(jìn)行宏觀觀察，試驗(yàn)件斷裂位置、裂紋走向與故障件類似，斷裂也起源于根部導(dǎo)圓角處(圖8)。在JSM5600LV 掃描電鏡下觀察試驗(yàn)件斷口微觀形貌，斷口微觀可見(jiàn)明顯的沿晶脆性斷裂特征(圖9)。對(duì)斷口進(jìn)行能譜成分分析，試驗(yàn)件斷口Cd 含量也較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為27%。

圖7 模擬試驗(yàn)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the test

圖8 試驗(yàn)件外觀形貌Fig.8 Appearance of the tested bearing cup

圖9 沿晶斷裂特征Fig.9 Intercrystalline cracking feature

2 分析與討論

對(duì)承壓杯進(jìn)行了金相組織檢查，其組織均正常，未發(fā)現(xiàn)有冶金缺陷。另外對(duì)承壓杯進(jìn)行了硬度檢查也未發(fā)現(xiàn)明顯異常，因此承壓杯的開(kāi)裂與材質(zhì)無(wú)關(guān)。

承壓杯斷口表面Cd 含量較多，而且沿晶+解理脆性斷裂特征明顯。如果承壓杯是過(guò)載開(kāi)裂然后熔化的Cd 流到斷口上，則斷口應(yīng)該全為韌窩特征而不會(huì)出現(xiàn)沿晶特征，因此可以排除承壓杯是過(guò)載開(kāi)裂的可能性。

承壓杯所用材料為30CrMnSiA 鋼，其熱處理工藝中回火溫度為(500±5)℃，保溫時(shí)間為65 min。此溫度區(qū)間不在30CrMnSiA 鋼的回火脆敏感區(qū)間。承壓杯的熱處理工藝也是較為成熟的工藝制度，因此基本可以排除承壓杯回火脆開(kāi)裂的可能。

對(duì)承壓杯故障件及試驗(yàn)件也進(jìn)行了氫含量的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明承壓杯的氫含量并不高，不足以引起氫脆。而且承壓杯要經(jīng)歷400 ℃以上溫度，溫度高于340 ℃就有助于氫的逃逸［8］。因此也可以排除承壓杯氫脆開(kāi)裂可能性。

鎘脆的三要素為:1)存在Cd 元素;2)適當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力;3)較高的溫度［9］。首先承壓杯表面經(jīng)過(guò)鍍鎘處理。承壓杯是剎車裝置的一個(gè)零件，在剎車過(guò)程中由于剎車片的作用而受到應(yīng)力的作用。通過(guò)有限元仿真計(jì)算得出的結(jié)果可知承壓杯上表面的倒圓角處受到的拉應(yīng)力最大。從承壓杯的結(jié)構(gòu)上分析，承壓杯的截面類似于懸臂梁，當(dāng)其上表面受到向下的壓應(yīng)力時(shí)，其上表面根部受到最大的拉應(yīng)力。此外，根部倒圓角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中［10］。從承壓杯故障件斷口宏觀形貌看，其放射棱線也起源于上表面的倒圓角處。剎車過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，測(cè)試傳遞到承壓杯的溫度應(yīng)在400 ℃以上，已經(jīng)明顯超過(guò)Cd 的熔化溫度(320.9 ℃)。當(dāng)工作環(huán)境溫度達(dá)到230 ℃左右時(shí)(達(dá)到低熔點(diǎn)金屬熔化溫度的3/4，文獻(xiàn)［11］認(rèn)為達(dá)到其熔化溫度的2/3)，Cd 的活性大大增強(qiáng)，開(kāi)始沿晶界向材料內(nèi)部擴(kuò)散，環(huán)境溫度為鎘脆的發(fā)生創(chuàng)造了條件。對(duì)承壓杯斷口觀察可知，承壓杯故障件斷口為沿晶+解理脆性斷裂，且斷口表面Cd 含量較高;因此，可以確定承壓杯開(kāi)裂的性質(zhì)為鎘脆。

Cd 元素、拉應(yīng)力、溫度三要素均存在，但部分承壓杯未開(kāi)裂。這應(yīng)該是因?yàn)槌袎罕某叽绱嬖诓町悓?dǎo)致在剎車過(guò)程中各個(gè)承壓杯的受力大小不一。部分承壓杯受到的力較小，而鎘脆的發(fā)生也需要一定的應(yīng)力值，即當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)一定的門檻值后承壓杯才會(huì)開(kāi)裂，因此部分受力小的承壓杯未開(kāi)裂。對(duì)完好的承壓杯進(jìn)行了鎘脆復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，承壓杯試驗(yàn)件斷口宏微觀形貌與故障件相一致且試驗(yàn)件斷口表面Cd 元素含量也較高。

綜上可以確定承壓杯的開(kāi)裂性質(zhì)為鎘脆。承壓杯所處的工作環(huán)境會(huì)經(jīng)歷較高的溫度，在剎車過(guò)程中承壓杯上表面導(dǎo)圓角處受到較大的拉應(yīng)力，而承壓杯表面采用了不適當(dāng)?shù)谋砻驽冩k工藝，在這些因素的綜合作用下承壓杯發(fā)生鎘脆開(kāi)裂。根據(jù)承壓杯的實(shí)際工況環(huán)境，承壓杯應(yīng)采用其它表面處理工藝代替鍍鎘，如表面鍍鋅、發(fā)藍(lán)工藝等。

3 結(jié)論

1)承壓杯失效性質(zhì)為鎘脆開(kāi)裂。

2)承壓杯所處的工作環(huán)境會(huì)經(jīng)歷較高的溫度，在剎車過(guò)程中承壓杯上表面導(dǎo)圓角處受到較大的拉應(yīng)力，而承壓杯表面采用了不適當(dāng)?shù)谋砻驽冩k工藝，在這些因素的綜合作用下承壓杯發(fā)生鎘脆開(kāi)裂。

3)根據(jù)承壓杯的實(shí)際工況環(huán)境，承壓杯應(yīng)采用其它表面處理工藝代替鍍鎘，如表面鍍鋅、發(fā)藍(lán)工藝等。

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