某車(chē)用平衡肘斷裂原因分析

陳 濤 李 寧 廖美華 何 成(.杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江00；.北京北方車(chē)輛集團(tuán)有限公司，北京0007；.寶鋼特鋼韶關(guān)有限公司，廣東00)

由于某種用途，在構(gòu)件上需要開(kāi)孔、溝槽、缺口、臺(tái)階等，在這些部位附近，因截面的急劇變化，將產(chǎn)生局部的高應(yīng)力，其應(yīng)力峰值遠(yuǎn)大于由基本公式算得的應(yīng)力值。這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力集中，引起應(yīng)力集中的孔、溝槽、缺口、臺(tái)階等幾何體稱(chēng)為應(yīng)力集中因素[1]。

因孔、溝槽、缺口、臺(tái)階等附近存在應(yīng)力集中，從而削弱了構(gòu)件的強(qiáng)度，降低了構(gòu)件的承載能力。應(yīng)力集中處往往是構(gòu)件破壞的起始點(diǎn)，應(yīng)力集中是引起構(gòu)件破壞的主要因素[2-9]。應(yīng)力集中現(xiàn)象普遍存在于各種構(gòu)件中，大部分構(gòu)件的破壞事故是由應(yīng)力集中引起的。因此，為了確保構(gòu)件的安全使用，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，必須科學(xué)地處理構(gòu)件的應(yīng)力集中問(wèn)題。

平衡肘是連接負(fù)重輪和彈性元件的行動(dòng)裝置部件。在履帶車(chē)輛中，由平衡肘帶動(dòng)扭力軸變形吸收負(fù)重輪上下運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的大量沖擊能量，以減少車(chē)體所受沖擊力。某車(chē)在試車(chē)過(guò)程中平衡軸發(fā)生斷裂，為了找出失效機(jī)理，利用金相顯微鏡、掃描電鏡、拉伸試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備對(duì)平衡肘斷裂原因進(jìn)行了分析。

1 平衡肘檢測(cè)與討論

1.1 斷口分析

圖1 斷裂平衡肘外觀(guān)照片F(xiàn)igure 1 Appearance of the fracture equilibrium elbow

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition (mass fraction, %)

發(fā)生斷裂的平衡肘共計(jì)3根，均為同一型號(hào)某平衡肘，斷裂方式一樣，斷裂時(shí)均沒(méi)有發(fā)生塑性變形，屬于脆性斷裂。送檢斷裂平衡肘外觀(guān)照片如圖1所示。斷裂位置位于如圖1(b)所示的圓弧過(guò)渡處(R5)，現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)此圓弧過(guò)渡處沒(méi)有按照工藝要求進(jìn)行加工，理應(yīng)為R5過(guò)渡的地方?jīng)]有進(jìn)行圓弧過(guò)渡加工，從而形成1個(gè)類(lèi)似于V型的尖角。從圖1(c)斷口裂紋擴(kuò)展形式來(lái)看，裂紋萌生于V型尖角處，之后快速擴(kuò)展直至斷裂。

1.2 化學(xué)成分

從斷裂平衡肘上截取試樣進(jìn)行化學(xué)元素分析，分析結(jié)果如表1所示?；瘜W(xué)元素分析結(jié)果符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 力學(xué)性能

為了分析判定失效原因，選取同一牌號(hào)類(lèi)似工藝的某A平衡肘與斷裂平衡肘進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)沖擊韌性試驗(yàn)進(jìn)行了U、V型兩種缺口試驗(yàn)，以檢驗(yàn)不同缺口對(duì)平衡肘抗沖擊性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，斷裂平衡肘抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度高于某A平衡肘，斷后伸長(zhǎng)率、斷后收縮率、相應(yīng)的沖擊功均低于某A平衡肘。說(shuō)明斷裂平衡肘綜合力學(xué)性能為強(qiáng)度高、韌性低，缺口敏感性強(qiáng)，并且斷裂平衡肘V型缺口試樣沖擊功遠(yuǎn)低于U型缺口試樣，缺口敏感性強(qiáng)。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test reault of mechanical property

圖2 斷裂平衡肘金相組織照片F(xiàn)igure 2 Metallographic picture of fracture equilibrium elbow

1.4 低倍及金相組織分析

斷裂平衡肘低倍組織試片未發(fā)現(xiàn)目視可見(jiàn)的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點(diǎn)、晶間裂紋等缺陷，一般疏松為1，中心疏松為1，無(wú)錠型偏析，低倍檢測(cè)結(jié)果符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

金相組織為回火索氏體，金相組織照片如圖2所示，金相組織正常。

2 結(jié)果與討論

斷裂平衡肘化學(xué)元素分析結(jié)果、低倍及金相組織均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，斷裂起源均位于理應(yīng)進(jìn)行R5圓弧過(guò)渡但沒(méi)有進(jìn)行圓弧過(guò)渡加工的地方，從而在斷裂起源處形成一個(gè)類(lèi)似V型的尖角，該位置成為應(yīng)力集中的部位。該斷裂平衡肘與同一牌號(hào)類(lèi)似工藝的某A平衡肘相比，其強(qiáng)度大，韌性低，耐沖擊性能急劇下降，缺口敏感性增大，尤其是V型缺口沖擊功很低，因此斷裂平衡肘綜合力學(xué)性能較差。

斷裂起源于長(zhǎng)軸端理應(yīng)是圓弧過(guò)渡(R5)的地方，該區(qū)域沒(méi)有進(jìn)行圓弧過(guò)渡加工，實(shí)際在此局部區(qū)域形成1個(gè)類(lèi)似于沖擊試樣V型缺口的尖角，導(dǎo)致形成應(yīng)力集中，受沖擊時(shí)易于在此尖角處開(kāi)裂。斷裂平衡肘斷裂位置示意圖及R5圓弧過(guò)渡處理示意圖如圖3所示。

圖3 平衡肘斷裂位置示意圖及R5圓弧過(guò)渡處理示意圖Figure 3 Position diagrams of the fracture equilibrium elbow and the treatment of R5 smooth transition

3 結(jié)論

發(fā)生斷裂的平衡肘均為同一型號(hào)平衡肘，共計(jì)斷裂3根，斷裂方式一樣，斷裂起源均位于理應(yīng)進(jìn)行R5圓弧過(guò)渡但沒(méi)有進(jìn)行圓弧過(guò)渡加工的地方，從而在斷裂起源處形成1個(gè)類(lèi)似V型的尖角，該位置為平衡肘最薄弱部位。平衡肘斷裂分析原因如下：

(1)平衡肘綜合力學(xué)性能是強(qiáng)度高、韌性低，缺口敏感性強(qiáng)，易于發(fā)生斷裂。

(2)平衡肘為自由鍛+線(xiàn)切割，在一些需要圓弧過(guò)渡的地方，并沒(méi)有進(jìn)行圓弧過(guò)渡，而是直接尖角過(guò)渡，從而在受沖擊載荷時(shí)易于在尖角處萌生裂紋。

針對(duì)上述分析提出如下建議：

(1)在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下，提高平衡肘塑性。

(2)避免尖角過(guò)渡。

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