限位桿連接叉斷裂原因分析

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(1. 第一拖拉機(jī)股份有限公司 工藝材料研究所, 洛陽(yáng) 471004; 2. 洛陽(yáng)市機(jī)械產(chǎn)品失效分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 洛陽(yáng) 471004; 3. 拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 洛陽(yáng) 471004)

限位桿連接叉斷裂原因分析

劉巖1,2,王云飛1,2,3,魏彩麗1,2,曹耕原1,2,張戈1,2

(1. 第一拖拉機(jī)股份有限公司 工藝材料研究所, 洛陽(yáng) 471004; 2. 洛陽(yáng)市機(jī)械產(chǎn)品失效分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 洛陽(yáng) 471004; 3. 拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 洛陽(yáng) 471004)

某拖拉機(jī)限位桿連接叉在進(jìn)行空載提升試驗(yàn)時(shí)發(fā)生斷裂，通過(guò)宏觀觀察、掃描電鏡觀察、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試、拉伸試驗(yàn)等方法對(duì)限位桿連接叉的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：限位桿連接叉原材料中的鋁元素含量較高，在鑄造凝固后的冷卻過(guò)程中，鋁元素與氮元素形成片狀氮化鋁夾雜物在原始奧氏體晶界位置析出，使材料的塑性和韌性大幅度降低，當(dāng)受力過(guò)大時(shí)零件便會(huì)發(fā)生脆性斷裂。

限位桿連接叉；鋁含量;氮化鋁夾雜物；脆性斷裂

拖拉機(jī)通過(guò)懸掛系統(tǒng)牽引犁、旋耕機(jī)、播種機(jī)等農(nóng)機(jī)具進(jìn)行工作，懸掛系統(tǒng)是由上拉桿、提升桿、下拉桿以及限位桿等組成。其中限位桿連接叉的作用是通過(guò)連接銷將限位桿和下拉桿連接在一起，用于控制所牽引農(nóng)具的橫向位移[1-3]。某型號(hào)拖拉機(jī)限位桿連接叉在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行空載提升試驗(yàn)時(shí)發(fā)生斷裂，筆者對(duì)損壞零件進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，以查明連接叉發(fā)生斷裂的原因。

斷裂連接叉材料為RZG310-570熔模鑄鋼，零件經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)工藝為850 ℃淬火后580 ℃高溫回火,基體硬度要求為215～265 HB。與連接銷內(nèi)孔配合的叉口中心孔要求中頻感應(yīng)淬火，200 ℃回火處理,淬硬層深度要求為1～3 mm，表面硬度要求為48～52 HRC。

1 理化檢驗(yàn)

1.1宏觀觀察

圖1 限位桿連接叉宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the limited clevis rod

限位桿連接叉的整體宏觀形貌如圖1所示，斷裂部位位于叉口中心孔處，兩側(cè)中心孔處均發(fā)生斷裂。斷裂位置附近未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形，斷口呈粗大的結(jié)晶狀特征，由平滑、光亮、稍有彎曲的小平面構(gòu)成了典型的“石狀斷口”，如圖2所示。斷口為新鮮一次性斷口，未發(fā)現(xiàn)氧化、腐蝕等原始缺陷[4]。

圖2 限位桿連接叉斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fracture of the limited clevis rod

1.2掃描電鏡觀察

使用掃描電鏡(SEM)對(duì)限位桿連接叉斷口的微觀形貌進(jìn)行觀察，圖3a)為放大70倍觀察到的斷口形貌，斷口上顯示出了粗大的柱狀晶特征，這種組織是在凝固過(guò)程中固態(tài)金屬定向生長(zhǎng)形成的奧氏體晶粒,斷口微觀形貌特征為沿晶。

將圖3a)中方框區(qū)域放大500倍觀察得到圖3b)，可見(jiàn)斷面比較光滑平整，上面分布著條狀或片狀第二相析出物留下的韌窩狀痕跡，第二相析出物沿晶界析出且呈有規(guī)律的角度排布，如圖3c)所示。使用能譜儀(EDS)對(duì)圖3b)中斷口表面的兩個(gè)微區(qū)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)鋁、氮元素含量較高，證明在斷口位置存在鋁、氮元素的富集。

圖3 斷口的掃描電鏡形貌Fig.3 SEM morphology of the fracture

圖4 斷口表面能譜分析結(jié)果Fig.4 EDS analysis results of the fracture surface: a) region I; b) region II

1.3金相檢驗(yàn)

在限位桿連接叉斷口附近取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。結(jié)果如下：中心孔工作面淬硬層深度為0～2.8 mm，中心孔表面正中位置未淬火，如圖5所示；限位桿連接叉的基體顯微組織為回火索氏體+鐵素體+殘余鑄態(tài)組織，如圖6所示；限位桿連接叉的晶粒異常粗大，按GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定法》對(duì)晶粒度進(jìn)行評(píng)定[5]，結(jié)果為晶粒度級(jí)別00級(jí)，如圖7所示。

圖5 限位桿連接叉中心孔處的淬硬層宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of the hardening layer in centre hole of the limited clevis rod

圖6 限位桿連接叉的基體顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the matrix of the limited clevis rod

圖7 限位桿連接叉的晶粒形貌Fig.7 Grain morphology of the limited clevis rod

1.4硬度測(cè)試

對(duì)限位桿連接叉的基體硬度和叉口中心孔表面硬度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示，可見(jiàn)限位桿連接叉的基體硬度符合技術(shù)要求，叉口中心孔表面感應(yīng)淬火區(qū)的硬度低于技術(shù)要求。

1.5拉伸試驗(yàn)

對(duì)限位桿連接叉進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。連接叉材料沒(méi)有屈服階段，因此測(cè)得的結(jié)果中屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率均為無(wú)效值，不符合JB/T 5100-1991《熔膜鑄造碳鋼件 技術(shù)條件》的要求[6]，試驗(yàn)材料在室溫下呈脆性材料特征。

表1 限位桿連接叉的硬度測(cè)試結(jié)果Tab.1 Hardness testing results of the limited clevis rod

表2 限位桿連接叉的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Tensile test results of the limited clevis rod

1.6熱酸蝕試驗(yàn)

對(duì)限位桿連接叉的拉伸斷裂試樣進(jìn)行熱酸蝕試驗(yàn)，試樣經(jīng)過(guò)熱酸蝕后表面出現(xiàn)沿晶網(wǎng)狀龜紋，如圖8所示。

圖8 熱酸蝕后試樣的宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of the specimen after hot etching

1.7化學(xué)成分分析

對(duì)限位桿連接叉進(jìn)行化學(xué)成分分析，其中磷、硅、錳、鋁元素采用布魯克Q8型光電直讀光譜儀進(jìn)行分析，碳、硫元素采用HW-2000型紅外碳、硫分析儀進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示碳、硫、磷、硅、錳元素含量均符合JB/T 5100-1991要求。

表3 限位桿連接叉化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Fig.3 Analysis results of chemical compositions of thelimited clevis rod (mass fraction) %

2 分析與討論

限位桿連接叉的化學(xué)成分中碳、硫、磷、硅、錳元素含量均符合JB/T 5100-1991要求。目前鑄鋼標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)鋁含量作出規(guī)定，有關(guān)資料顯示，適量的鋁有利于脫去鋼液中的氧。當(dāng)最終鋼液中的殘余鋁含量不足0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，一般不會(huì)對(duì)鑄鋼件產(chǎn)生影響。當(dāng)鋼中的最終殘余鋁含量在0.1%～0.2%時(shí)，雖然產(chǎn)生缺陷的傾向比較小，但鋼液在脫氧和鑄型的澆鑄過(guò)程中會(huì)形成很多鋁的氧化物夾雜，使鑄鋼件的力學(xué)性能降低。當(dāng)鑄件中的最終殘余鋁含量大于0.2%時(shí)，過(guò)量的鋁就會(huì)在晶界上析出含鋁夾雜物，從而形成“石狀斷口”缺陷。因此合適的殘余鋁含量范圍為0.020%～0.065%[7]，鑄鋼中鋁含量一般不應(yīng)超過(guò)0.08%。

拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，限位桿連接叉的屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率不符合JB/T 5100-1991要求，該零件的塑性和韌性極差是造成限位桿連接叉脆性斷裂的主要原因。

限位桿連接叉經(jīng)熱酸蝕后表面出現(xiàn)網(wǎng)狀龜紋，其網(wǎng)紋的尺寸與微觀觀察到的鑄造時(shí)形成的粗大晶粒尺寸相一致。由于原始奧氏體晶界上存在易被腐蝕的物質(zhì)，導(dǎo)致熱酸蝕后產(chǎn)生網(wǎng)狀龜紋。

通過(guò)金相檢驗(yàn)可以看出，限位桿連接叉的基體顯微組織為回火索氏體+鐵素體+殘余鑄態(tài)組織。組織狀態(tài)顯示零件經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，但是鑄態(tài)殘留的網(wǎng)狀大晶粒未被完全消除。網(wǎng)狀組織的晶粒度級(jí)別為00級(jí), 粗大網(wǎng)狀晶粒的存在降低了限位桿連接叉的塑性和韌性。

限位桿連接叉的硬度測(cè)試結(jié)果顯示，零件基體硬度符合技術(shù)要求，反映了零件調(diào)質(zhì)處理工藝正常。叉口中心孔內(nèi)壁感應(yīng)淬火區(qū)的深度低于技術(shù)要求，表面硬度也低于技術(shù)要求，說(shuō)明感應(yīng)淬火工藝存在問(wèn)題。但是表面硬度和淬硬層深度不足一般會(huì)造成零件磨損、韌性斷裂或者疲勞斷裂，與該限位桿連接叉的斷裂模式不一致，因此感應(yīng)淬火工藝不當(dāng)造成的硬化層深度和硬度偏低不是造成限位桿連接叉脆性斷裂的主要因素。

掃描電鏡觀察結(jié)果顯示，限位桿連接叉斷口存在鑄造時(shí)形成的柱狀晶區(qū)域，斷口表面為凝固時(shí)形成的原始奧氏體晶粒，晶界上存在片狀或條狀的第二相析出物。掃描電鏡觀察結(jié)果證明，晶界上存在第二相析出物削弱了材料的強(qiáng)度，誘使零件從原始奧氏體晶界開(kāi)裂。由于第二相析出物沿著粗大的奧氏體晶界分布，零件斷口顯示為冰糖狀斷口，微觀上開(kāi)裂源處會(huì)留下枝晶狀的韌窩。

能譜分析結(jié)果顯示斷口上的鋁、氮元素的含量比較高，這是由于目前鋼鐵企業(yè)往往采用鋁作為脫氧劑，當(dāng)鋁的用量控制不佳時(shí)，會(huì)和空氣中的氮元素形成氮化鋁化合物。一定量的氮化鋁可以起到細(xì)化晶粒的作用，但是過(guò)量的氮化鋁在鋼液凝固后的緩慢冷卻過(guò)程中，會(huì)在原始奧氏體晶界處析出[8-9]。

析出的氮化鋁晶體通常為片狀，厚度大約為0.5 μm，呈樹(shù)枝狀分布。片狀的氮化鋁晶體對(duì)原始奧氏體晶界位置的基體起到了割裂作用，破壞了基體組織的連續(xù)性，類似于灰鑄鐵中的片狀石墨。在受到外力時(shí)，片狀氮化鋁存在的界面最為薄弱。當(dāng)外力過(guò)大時(shí)，材料就會(huì)從片狀氮化鋁位置直接開(kāi)裂。這與力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示的拉伸過(guò)程沒(méi)有屈服階段相一致。

3 結(jié)論

(1) 該限位桿連接叉在室溫下呈脆性特征，塑韌性極差，材料本身存在鑄造缺陷。

(2) 該限位桿連接叉的鋁含量較高，脫氧過(guò)程中殘留的鋁元素和空氣中的氮元素結(jié)合，形成硬脆的片狀氮化鋁晶體在晶界處析出，導(dǎo)致限位桿連接叉在受力過(guò)大時(shí)直接斷裂失效。

4 建議

在鑄鋼的冶煉過(guò)程中采取措施嚴(yán)格控制材料中氮元素和鋁元素的含量，比如保持足夠的氧化沸騰時(shí)間和脫碳速率使氣體充分排出，使用其他脫氧劑代替含鋁脫氧劑，以減少甚至避免氮元素和鋁元素的介入。

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AnalysisonFractureReasonsoftheLimitedClevisRod

LIUYan1,2,WANGYunfei1,2,3,WEICaili1,2,CAOGengyuan1,2,ZHANGGe1,2

(1. Technology and Material Research Institute, First Tractor Company Limited, Luoyang 471004, China; 2. Luoyang Key Laboratory of Mechanical Product Failure Analysis, Luoyang 471004, China; 3. State Key Laboratory of Power System of Tractor, Luoyang 471004, China)

The limited clevis rod of a tractor fractured during no-load lifting test. The failure reasons of the limited clevis rod were analyzed by means of macroscopic inspection, scanning electron microscope observation, metallographic examination, hardness testing, tensile test and so on. The results show that: the aluminum content of the raw material of the limited clevis rod was relatively high; during the cooling process after casting solidification, flake aluminum nitride inclusions, which formed by the aluminum and nitrogen element, precipitated in the prior austenite grain boundaries, caused the dramatical decrease of material plasticity and toughness, and resulted in the brittle fracture of the parts under extremely large force.

limited clevis rod; aluminum content; aluminum nitride inclusion; brittle fracture

10.11973/lhjy-wl201709011

2016-09-28

劉 巖(1988-)，女，工程師，學(xué)士，主要從事金屬材料研究工作，liuyan108.cool@163.com

TB31

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：1001-4012(2017)09-0664-04