裝載機(jī)用油缸缸筒破裂研究

趙 素

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海200240）

油缸作為裝載機(jī)的重要液壓元件，缸筒是液壓缸的主體零件，其質(zhì)量將直接影響裝載機(jī)的正常工作和使用壽命[1]。油缸的工作壓力一般為16～22MPa，在這樣的壓力下，焊接的質(zhì)量至關(guān)重要。金屬在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)的組織分布是不均勻的。熔合區(qū)和過(guò)熱區(qū)出現(xiàn)了組織形態(tài)的變化及嚴(yán)重的晶粒粗化，導(dǎo)致其性能惡化，是整個(gè)焊接接頭的薄弱地帶[2-4]。

某裝載機(jī)用油缸的缸筒為焊接組合件，缸筒在試壓試驗(yàn)中在發(fā)生破裂。本文結(jié)合該油缸缸筒的失效情況，對(duì)油缸連接焊接接頭進(jìn)行組織性能分析，以改善焊接件的質(zhì)量。

1 試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品為工廠提供的破裂的缸筒，缸筒材質(zhì)為正火處理后的45鋼，其外徑約為φ554mm，內(nèi)徑約為φ452mm，全長(zhǎng)約3 694mm。在距端部132mm處有一進(jìn)油孔，孔與進(jìn)油管由焊接相連，進(jìn)油管外徑約φ30mm。

1.2 測(cè)試方法

用SpectroMaxx型直讀光譜儀進(jìn)行了化學(xué)成分分析，用Canon 6D型高分辨數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行宏觀觀察，用JSM-6610型電子顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察分析，然后制樣，并經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，用DMI5000M型金相顯微鏡進(jìn)行微觀組織分析。在焊縫各區(qū)域及母材處用FM-700型維氏硬度計(jì)測(cè)定材料的硬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分

試驗(yàn)材料進(jìn)行光譜分析，其化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：w（C）＝0.47%，w（S）＝0.007%，w（Si）＝0.18%，w（Mn）＝0.58%，w（P）＝0.020%，w（Cr）＝0.068%，w（Ni）＝0.038%，w（Cu）＝0.087%，符合45鋼材料標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 699—1999）要求。

2.2 破裂形貌特征

缸筒破裂發(fā)生在進(jìn)油孔一側(cè)，呈塊狀翹裂，翹裂塊端部呈“V”字形，兩側(cè)裂面平行、曲折發(fā)展。翹裂區(qū)裂縫打開(kāi)后裂面的宏觀形貌如圖1中（a）所示，可見(jiàn)斷面較粗糙，斷面上可見(jiàn)由焊接區(qū)一側(cè)裂縫起始向左擴(kuò)展的人字形條紋，由此可見(jiàn)開(kāi)裂由焊趾區(qū)域起始向左側(cè)發(fā)展。V字形翹塊頭部為兩裂縫交匯處，V字頭直指進(jìn)油孔，裂縫在孔的焊縫區(qū)沿焊趾發(fā)展，約經(jīng)1／4圓弧后縱向延伸，縱向裂紋長(zhǎng)度約960mm，如圖1中（b）所示。

圖1 缸筒破裂部位宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the cracked cylinder

將進(jìn)油孔處焊接區(qū)域裂縫打開(kāi)后裂面宏觀形貌如圖2（a）所示，圖下側(cè)為近焊縫轉(zhuǎn)角區(qū)域（如箭頭所示），圖上側(cè)為內(nèi)孔表面，圖中間為裂面，可見(jiàn)裂面呈銀灰色，近焊縫轉(zhuǎn)角區(qū)域裂面較平坦，并可見(jiàn)有該區(qū)域起始向兩側(cè)的擴(kuò)展條紋，裂面擴(kuò)展區(qū)相對(duì)較粗糙；由此可見(jiàn)開(kāi)裂由焊趾轉(zhuǎn)角區(qū)域起始向兩側(cè)發(fā)展。起始區(qū)邊緣斷面呈沿晶開(kāi)裂形貌，如圖2（b）所示，擴(kuò)展區(qū)裂面呈解離形貌，解理面粗大，解理河流清晰可見(jiàn)，為脆性斷裂，如圖2（c）所示。

圖2 裂面形貌Fig.2 Morphology of the fracture surface

2.3 焊接接頭及母材金相分析

2.3.1 焊縫區(qū) 焊接接頭是由焊縫和熱影響區(qū)組成的，如圖3（a）中的區(qū)域Ⅰ和Ⅱ所示。在高的放大倍數(shù)下，區(qū)域Ⅰ中焊縫區(qū)組織為索氏體和少量鐵素體，組織呈枝晶狀分布，并且在焊縫局部區(qū)域出現(xiàn)裂紋，裂縫尾部較纖細(xì)（箭頭所示），呈波狀分布的熱裂紋特征，如圖3（b）所示。

圖3 焊接接頭組織Fig.3 Structures of welded joints

由于焊接過(guò)程中，絕大部分焊接方法都采用局部加熱，故在焊接構(gòu)件中總是存在不同程度的焊接應(yīng)力和變形。焊接應(yīng)力的存在，促使焊接焊縫區(qū)內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋等工藝缺陷。

熱裂紋是由于焊縫在凝固過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)該溫度下金屬的斷裂強(qiáng)度時(shí)形成的一種裂縫。焊接過(guò)程中，焊接接頭區(qū)域受到不均勻的局部加熱，形成不均勻的溫度場(chǎng)，焊縫區(qū)的金屬被熔化，隨著與焊縫距離的增加溫度迅速降低。在與熔池相鄰的高溫區(qū)，材料的熱膨脹將受到周圍較冷區(qū)域材料的限制，產(chǎn)生壓縮塑性變形。而在隨后的冷卻過(guò)程中，已發(fā)生塑性變形的這部分材料又受到周圍條件的約束而不能自由收縮，將形成拉應(yīng)力。同時(shí)，熔池凝固，形成的焊縫金屬冷卻收縮受阻時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力。如果剛結(jié)晶部分的晶體的某些薄弱部位不足以抵抗這種拉應(yīng)力，則被拉開(kāi)形成裂紋[5]。

2.3.2 焊接熱影響區(qū)金相分析 在焊接熱源作用下，焊接兩側(cè)發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)。由于母材金屬離焊縫的距離不同，各點(diǎn)被加熱的溫度也有差別，故冷卻時(shí)焊接接頭部分會(huì)發(fā)生一系列不同的組織變化，分為不同的區(qū)域，主要為完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)[6]。焊接熱影響區(qū)中，因?yàn)樵诨瘜W(xué)成分上和組織性能上都有大的不均勻性，所以對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度、韌性都有很大影響。

（1）完全淬火區(qū)。由圖3（a）可知，裂縫沿焊縫邊緣轉(zhuǎn)角區(qū)域的熱影響區(qū)發(fā)展。在高的放大倍數(shù)下，裂縫表層可見(jiàn)馬氏體組織，并且裂縫呈沿晶界發(fā)展，如圖4（a）所示。完全淬火區(qū)內(nèi)的組織主要為馬氏體和少量的托氏體，晶粒較粗大，如圖4（b）所示。經(jīng)焊接后在冷卻過(guò)程中出現(xiàn)的馬氏體組織是馬氏體相變的產(chǎn)物，馬氏體相變是低溫相變，是固態(tài)相變中的一種特殊的、重要的類型[7]。45鋼的碳當(dāng)量約為0.7%[8]，含碳量較高，馬氏體相變開(kāi)始溫度Ms較低[9]，淬硬傾向十分明顯，在焊接熱影響區(qū)很容易產(chǎn)生脆硬的馬氏體組織，它是碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體，有很大的過(guò)飽和度，晶格點(diǎn)陣的畸變嚴(yán)重，因而硬度和脆性很大[10]。

圖4 不同區(qū)域微觀組織Fig.4 Microstructure in different areas

（2）不完全淬火區(qū)。不完全淬火區(qū)組織主要為珠光體、托氏體和粗大的鐵素體，如圖5所示。由于焊接快速加熱，珠光體組織首先奧氏體化形成細(xì)小的奧氏體，并且受熱晶粒稍有長(zhǎng)大。在以后連續(xù)冷卻時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w和珠光體，未溶入奧氏體的鐵素體不發(fā)生轉(zhuǎn)變，最后該區(qū)的組織主要由托氏體、珠光體和未發(fā)生相變的粗大鐵素體組成，形成晶粒大小不均勻的區(qū)域。

圖5 不完全淬火區(qū)組織Fig.5 Microstructure of the incompletely quenched zone

（3）母材。母材近表層組織為粗大的珠光體和鐵素體，晶粒度約評(píng)為5.5級(jí)，如圖6（a）所示。母材心部組織為較細(xì)小的珠光體和鐵素體，晶粒度約評(píng)為7.5級(jí)，如圖6（b）所示?？梢?jiàn)母材基體組織不均勻，近表層組織較粗大。

圖6 母材組織形貌Fig.6 Microstructures of the base metal

加熱過(guò)程形成的奧氏體晶粒度，對(duì)冷卻時(shí)相變過(guò)程和相變產(chǎn)物有明顯的影響[11]。熔焊時(shí)在集中熱源的作用下，在過(guò)熱粗晶區(qū)內(nèi)，一方面金屬是處于過(guò)熱的狀態(tài)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的長(zhǎng)大，形成粗晶熱影響區(qū)[12]；另一方面母材晶粒越粗大（圖6（a）），受組織遺傳性的影響，得到的奧氏體晶粒也粗大，冷卻后的相變產(chǎn)物組織也更加粗大。晶粒越粗大越易降低韌性，而細(xì)晶有利于提高韌性。

2.4 焊接熱影響區(qū)硬度分析

在硬度測(cè)試中，維氏硬度法能相對(duì)準(zhǔn)確地反映硬度的變化情況。在母材、焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)隨機(jī)取點(diǎn)進(jìn)行維氏硬度值（載荷為4.9N）的測(cè)定，結(jié)果如圖7所示。

圖7 硬度分布曲線Fig.7 Diagram of hardness distribution

熱影響區(qū)的硬度峰值落在熔合線附近，遠(yuǎn)離熔合線的硬度迅速下降。不同熱影響區(qū)的硬度變化，實(shí)質(zhì)上是反映了不同的金屬組織。根據(jù)金屬學(xué)理論可知，熱影響區(qū)的硬度隨著含碳量和合金元素的增加而提高，焊接熱影響區(qū)的最高硬度值不超過(guò)350HV，否則焊接性顯著惡化。對(duì)于碳鋼，當(dāng)維氏硬度值超過(guò)350HV標(biāo)志馬氏體的出現(xiàn)[13]。馬氏體數(shù)量越多，那么硬度值越高。由金相觀察可知，硬度峰值處組織主要為馬氏體和少量托氏體（圖4）。在靠近母材的焊接熱影響區(qū)的不完全淬火區(qū)出現(xiàn)硬度值降低的現(xiàn)象，這主要是由于該區(qū)域晶粒大小不均勻（圖5），表現(xiàn)不同程度的硬度性能。

2.5 應(yīng)力分析

在焊接過(guò)程中由于溫度的變化會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)變，也會(huì)通過(guò)微觀組織變化引起相變應(yīng)變，從而引起很大的裂紋敏感性。當(dāng)奧氏體分解轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體要引起體積膨脹，由于受到周圍金屬的拘束，結(jié)果造成內(nèi)應(yīng)力。而且對(duì)于中碳鋼，焊后冷卻到200～350℃時(shí)才發(fā)生奧氏體分解，轉(zhuǎn)變生成硬脆相的馬氏體，這時(shí)鋼的塑性已經(jīng)很低，就會(huì)造成很大的內(nèi)應(yīng)力。

負(fù)載構(gòu)件在均勻截面上應(yīng)力分布應(yīng)該是均勻的，當(dāng)構(gòu)件截面有急劇變化時(shí)，在劇變處的應(yīng)力會(huì)高于平均應(yīng)力，這現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。應(yīng)力集中削弱構(gòu)件的強(qiáng)度，降低了構(gòu)件的承載能力，是構(gòu)件破壞的起始點(diǎn)，是引起構(gòu)件破壞的主要因素[14]。焊趾轉(zhuǎn)角部位，因截面的急劇變化，將產(chǎn)生局部的高應(yīng)力，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中。

3 結(jié) 論

（1）熱影響區(qū)內(nèi)硬度高，而且仍存在馬氏體組織，表明該部件焊后未經(jīng)正常退火處理；同時(shí)，焊縫區(qū)存在焊接裂紋，表明存在較大焊接應(yīng)力，可推斷該部件焊接區(qū)存在較大殘余應(yīng)力。

（2）缸筒母材基體組織不均勻，近表層晶粒粗大，對(duì)焊接質(zhì)量影響明顯，易在熱影響區(qū)誘發(fā)粗大的相變組織，影響綜合性能。

（3）轉(zhuǎn)角部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且這里又出現(xiàn)了硬度高、脆性大、晶粒粗大塑韌性低的馬氏體組織，在壓力試驗(yàn)壓力波動(dòng)時(shí)，極易在轉(zhuǎn)角應(yīng)力集中區(qū)誘發(fā)開(kāi)裂并擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展至貫穿壁厚時(shí)，即會(huì)發(fā)生沿縱向的瞬時(shí)破斷，尤其在焊接區(qū)存在較大殘余應(yīng)力時(shí)，會(huì)因應(yīng)力疊加增大開(kāi)裂幾率。

（4）對(duì)于高碳當(dāng)量的焊接件，焊接時(shí)必須進(jìn)行局部預(yù)熱及焊后退火處理，否則極易發(fā)生開(kāi)裂事故。

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