裝載機(jī)副車架斷裂失效分析

蘇雅萍，韋先華

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545007）

輪式裝載機(jī)是當(dāng)今工程建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的一種工程機(jī)械。輪式裝載機(jī)的作業(yè)工況復(fù)雜多變，在作業(yè)和行走過(guò)程中承受各種力和力矩。由于作業(yè)時(shí)載荷變化大，在設(shè)計(jì)時(shí)均不設(shè)彈性懸掛裝置以保證作業(yè)穩(wěn)定性，但同時(shí)為了保證裝載機(jī)在不平路面上行駛的平頗性及牽引性，必須要保證四個(gè)輪胎都能著地，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋能隨路面的起伏作相對(duì)擺動(dòng)。裝載機(jī)前橋直接剛性連接在前車架上，后橋通過(guò)副車架與后車架處于非剛性連接狀態(tài)，在行駛過(guò)程中副車架可以擺動(dòng)，可避免后橋直接把震動(dòng)傳遞給后車架，起到吸震、減震作用。因此副車架是一個(gè)重要的受力部件，如圖1所示。

圖1 副車架零件簡(jiǎn)圖及斷裂位置

某型輪式裝載機(jī)副車架在使用過(guò)程中發(fā)生早期異常斷裂失效，本文對(duì)斷裂副車架從宏觀斷口、材料、金相組織、裂紋形態(tài)、力學(xué)性能等方面進(jìn)行綜合分析，找出副車架開裂的原因，為設(shè)計(jì)、材料、工藝等方面優(yōu)化與改進(jìn)提供依據(jù)，提高質(zhì)量及性能，避免零件發(fā)生斷裂。

裝載機(jī)副車架是鑄鋼件，采用ZG40Cr材料，鑄造后經(jīng)退火、正火、調(diào)質(zhì)處理、銑削、鉆削、涂漆等工藝加工而成。

1 檢驗(yàn)分析

1.1 斷口宏觀分析

失效副車架斷裂成四節(jié)，斷口均未見(jiàn)塑性變形，斷面有金屬光澤，斷口呈冰糖狀，中心為圓周形，外側(cè)成粗大放射狀，為脆性斷裂。首先斷裂處為銷軸連接孔中部，斷面為黑色，肉眼可觀察到細(xì)小裂紋分布在晶棱間，如圖2所示。

圖2 失效零件及宏觀斷口形貌

1.2 化學(xué)成分分析

斷裂副車架材質(zhì)為鑄鋼ZG40Cr，取樣塊后使用火花直讀光譜儀進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，經(jīng)對(duì)比，其成分符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。該零件材質(zhì)外協(xié)廠家長(zhǎng)期按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)控制，化學(xué)成分雖符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5939[1]《工程機(jī)械鑄鋼件通用技術(shù)條件》中ZG40Cr的要求，但成分中檢測(cè)到的Al含量高達(dá)0.42%，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)雖未給出Al含量控制范圍，但美國(guó)卡特彼勒公司鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定Al含量為0.02%～0.10%.

表1 斷裂副車架化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

1.3 力學(xué)性能分析

使用布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試。在距首先斷裂處斷口附近，距表面5 mm、10 mm、15 mm位置硬度分別為283 HB、283 HB、269 HB，零件技術(shù)要求為調(diào)質(zhì)硬度229 HB～302 HB，失效件硬度符合要求。

從斷裂件上完好地方距表面10 mm位置取拉伸試樣（直徑10 mm、標(biāo)距50 mm），在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，拉伸性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。拉伸試樣僅受4.09 kN力時(shí)就發(fā)生異常斷裂，斷口呈粗晶脆性，95%斷面呈石墨色，見(jiàn)圖3.敲擊試樣，聲音沉悶，類似鑄鐵聲音。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖3 拉伸試樣異常斷口

1.4 金相分析

從拉伸試樣異常斷口、一失效斷口附近分別取金相試樣，經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，用徠卡DMI-5000M倒置金相顯微鏡觀察組織。調(diào)質(zhì)處理組織檢驗(yàn)參照TB/T 3212.3[2]《機(jī)車車輛用低合金鑄鋼金相組織檢驗(yàn)圖譜 第3部分：E級(jí)鑄鋼》標(biāo)準(zhǔn)，1級(jí)～7級(jí)為合格。零件奧氏體晶粒度采用過(guò)飽和苦味酸水溶液浸蝕顯示，奧氏體晶粒度要求不大于5級(jí)。

拉伸試樣異常斷口附近的橫截面的金相組織為回火索氏體+極少量先共析鐵素體，1級(jí)，屬于正常調(diào)質(zhì)組織；其奧氏體晶粒度為7級(jí)～8級(jí)，見(jiàn)圖4和圖5.

圖4 拉伸試樣橫截面組織 500×

圖5 拉伸試樣橫截面晶粒形貌 400×

距銷軸連接孔中部首斷處失效斷口約15 mm位置，副車架外框表面的金相組織為回火索氏體+極少量先共析鐵素體，1級(jí)，屬于正常調(diào)質(zhì)組織；其奧氏體晶粒度為7級(jí)～8級(jí)，見(jiàn)圖6和圖7；而副車架內(nèi)框表面的金相組織為回火索氏體+先共析塊狀鐵素體，2級(jí)，屬于正常調(diào)質(zhì)組織；其奧氏體晶粒度為7級(jí)～8級(jí)，見(jiàn)圖8和圖9.

圖6 外框表面組織 500×

圖7 外框表面組織晶粒形貌 400×

圖8 內(nèi)框表面組織 500×

圖9 內(nèi)框表面組織晶粒形貌 400×

縱向切割斷口位置，縱截面可見(jiàn)裂紋1源于內(nèi)部鑄態(tài)晶棱，呈直角狀，向兩邊延伸直到斷面，多處呈直線擴(kuò)展，其組織為回火索氏體+極少量先共析鐵素體，1級(jí)，見(jiàn)圖10、圖11；裂紋2源于原鑄態(tài)晶棱，尾部呈光滑直線狀，其組織為回火索氏體+極少量先共析鐵素體，1級(jí)，見(jiàn)圖12、圖13；裂紋3源于原鑄態(tài)晶棱，尾部光滑，其組織為回火索氏體，6級(jí)，見(jiàn)圖14；斷口縱截面正常組織位置的奧氏體晶粒度為7級(jí)～8級(jí)，見(jiàn)圖15.

圖10 裂紋1拋光態(tài)形貌 100×

圖11 裂紋1金相組織 500×

圖12 裂紋2始端和末端拋光態(tài)形貌 100×

圖13 裂紋2始端和末端金相組織 500×

圖14 裂紋3拋光態(tài)形貌（100×）及金相組織（500×）

圖15 斷口縱截面正常組織處晶粒形貌 400×

奧氏體晶粒的大小對(duì)調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)韌性的關(guān)系頗為密切，奧氏體晶粒大小也是衡量熱處理工藝執(zhí)行情況的重要手段。由以上金相分析可知，失效副車架的調(diào)質(zhì)組織正常，調(diào)質(zhì)后奧氏體晶粒度細(xì)致，說(shuō)明零件的熱處理工藝正常。從裂紋形態(tài)及裂紋兩側(cè)組織無(wú)氧化無(wú)脫碳為正常的調(diào)質(zhì)組織，可知斷口宏觀裂紋明顯不是淬火裂紋，排除了淬火開裂。

1.5 掃描電鏡分析

在金相試樣磨面上用ZEISS掃描電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)組織中有各種夾雜物，見(jiàn)圖16.

圖16 金相組織中的夾雜物SEM圖片

經(jīng)能譜分析，試樣磨面多處發(fā)現(xiàn)在晶界有AlN鋁夾雜物，見(jiàn)圖17～圖18.從能譜圖中可以看出，能譜在晶界位置Mn、Al、N等元素能量的突變。形成該現(xiàn)象的原因是由于鋼液中存在過(guò)多的Al元素，由于Al元素較Mn、Cr元素氧化能力強(qiáng)，造成鋼水在還原期、冷卻過(guò)程中過(guò)多的Mn及Cr元素被還原出來(lái)，在晶界形成Mn的富集區(qū)，造成能量的突變。同時(shí)由于Al元素的過(guò)剩，致使鋼水中的N元素在高溫狀態(tài)下同其形成穩(wěn)定的AlN，進(jìn)一步消弱晶間強(qiáng)度[3]。

圖17 金相組織中的夾雜物能譜分析圖

圖18 金相組織中的夾雜物能譜分析圖

2 討論分析

鋁在煉鋼中主要作為脫氧劑使用，同時(shí)鋁能夠細(xì)化晶粒，還有提高鋼的強(qiáng)韌性的作用。鋼中殘鋁量過(guò)低會(huì)影響鋼中酸溶鋁的含量從而影響鋼液的脫氧程度。鋼中殘鋁量過(guò)高除了會(huì)影響鋼中夾雜物形態(tài)和分布外，還會(huì)大大增加脆性斷口發(fā)生的可能性[4]。一旦鋼件中存在超量的Al元素，造成其在一次奧氏體晶界形成AlN，割裂了鋼件基體，同時(shí)采用重新熱處理的方式是無(wú)法消除的[3]。AlN在奧氏體晶粒形成時(shí)以粗大薄膜狀析出于晶界，產(chǎn)生組織缺陷降低副車架的塑性和韌性，增加晶間產(chǎn)生裂紋的傾向[4]。

據(jù)文獻(xiàn)介紹[5]：當(dāng)Al含量低于0.02%時(shí)，組織粗大，組織均勻性較差。當(dāng)Al含量介于0.02%-0.16%之間時(shí)，隨Al含量增加，組織均勻性較好，材料的各項(xiàng)力學(xué)性能均較好，材料的斷裂類型為典型的塑性斷裂。而當(dāng)Al含量介于0.16%-0.20%時(shí)，雖然組織仍比較細(xì)小，但是Al含量為0.20%時(shí)，材料出現(xiàn)了塑性和脆性的混合斷口。當(dāng)Al含量高于0.20%時(shí)，晶粒變大，組織均勻性也顯著降低，且隨Al含量升高，材料的延伸率和斷面收縮率不斷降低，材料的斷裂類型由塑性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?/p>

綜上所述，副車架的組織、硬度及熱處理工藝正常，但材料中過(guò)多的鋁含量形成脆性ALN夾雜，降低副車架的塑性和韌性，容易形成脆性斷口，致使拉伸試樣發(fā)生異常斷裂，且斷口呈粗晶脆性，零件在使用過(guò)程中從鑄態(tài)奧氏體晶界產(chǎn)生晶間裂紋并發(fā)生脆性斷裂，從而形成粗大冰糖狀斷口。

3 結(jié)論

在鑄造生產(chǎn)脫氧工序中鑄件存在超量的鋁，致使在高溫狀態(tài)下鋼中形成穩(wěn)定的脆性AlN夾雜并分布在鑄態(tài)奧氏體晶界上，割裂了鋼件基體，嚴(yán)重降低鑄件力學(xué)性能，使用過(guò)程中從鑄態(tài)奧氏體晶界產(chǎn)生晶間裂紋并發(fā)生脆性斷裂。