Q235B鋼下連桿斷裂失效分析

李娜，馬志華，蔡作新，黃家路

1.金豐（中國）機(jī)械工業(yè)有限公司 浙江寧波 315221

2.寧波均普智能制造股份有限公司 浙江寧波 315040

1 序言

連桿是機(jī)械設(shè)備中非常重要的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)和傳動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換等功能，如果發(fā)生斷裂失效會(huì)帶來嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和安全事故[1-3]。Q235B鋼下連桿失效形式主要有疲勞斷裂、過量變形等模式[4-6]，通常是由產(chǎn)品材料本身的力學(xué)性能或材料組織不均勻等因素導(dǎo)致的[7-12]，而且其斷裂方式通常是瞬時(shí)發(fā)生的。因此，通過下連桿的失效模式分析，找到失效模式的原因是非常有必要的。

2 失效分析

金豐（中國）機(jī)械工業(yè)有限公司Q235B鋼下連桿在使用過程中發(fā)生斷裂，零件加工成形后無熱處理工藝，設(shè)計(jì)使用壽命20年，但在使用3年后下連桿發(fā)生失效斷裂。失效樣件和斷裂位置如圖1所示。通過分析樣品的化學(xué)成分、硬度、沖擊與拉伸性能、金相組織及斷口形貌等，找出下連桿斷裂的原因。

圖1 失效樣件及斷裂位置

3 結(jié)果分析與討論

3.1 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分試樣取自于樣件斷裂位置附近，采用OES和C/S儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從表1可看出，失效樣wC高達(dá)0.5%，明顯高于GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中Q235B鋼wC≤0.2%的要求。

表1 樣件化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

3.2 硬度檢測

硬度檢測試樣取自于失效件，采用顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測，按GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》規(guī)定執(zhí)行，硬度檢測結(jié)果見表2。從表2可看出，失效件心部硬度平均值為217.3HV，而失效件裂紋所在側(cè)面的表面硬度不均勻，不同位置的硬度分別為386HV、463HV和554HV，均遠(yuǎn)高于心部硬度。

表2 硬度試驗(yàn)結(jié)果（HV）

3.3 沖擊試驗(yàn)

沖擊試樣取自失效樣品裂紋附近，測量室溫（20 ℃）下的夏比V 型缺口，試片尺寸55mm×10mm×10mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測試結(jié)果見表3，結(jié)果顯示失效件的沖擊吸收能量僅為7.2J，而標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700—2006中要求Q235B的沖擊吸收能量≥27J，失效件的沖擊吸收能量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，說明失效件的沖擊韌度很差。

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果（J）

3.4 拉伸試驗(yàn)

在失效件上取樣，按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可看出，失效件抗拉強(qiáng)度平均值為650MPa，超過GB/T 700—2006中Q235B鋼抗拉強(qiáng)度范圍，而斷后伸長率平均值為6.2%，低于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的≥21%的要求。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.5 宏觀金相組織檢測

在失效件裂紋附件制取低倍宏觀試樣，按GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》規(guī)定執(zhí)行，檢測結(jié)果如圖2所示。從圖2可看出，試樣表面存在明顯的枝晶組織，沿著枝晶生長方向發(fā)現(xiàn)裂紋，而且心部存在縮松、疏松缺陷。

圖2 樣品低倍宏觀形貌

對(duì)失效件近表面和心部進(jìn)行宏觀低倍檢測，結(jié)果如圖3～圖6所示。結(jié)果顯示，失效件表面存在厚度約235.8μm的硬化層（見圖3），心部存在寬度1658.3μm、深度417.8μm的裂紋缺陷（見圖4），并且心部存在縮孔缺陷（見圖5、圖6）。

圖3 近表面宏觀低倍金相組織

圖4 心部裂紋

圖5 心部宏觀金相組織

圖6 心部縮孔缺陷

3.6 微觀金相組織檢測

在靠近和遠(yuǎn)離缺陷區(qū)分別制取金相試樣，通過鑲嵌、研磨、腐蝕等，采用金相顯微鏡進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖7～圖9所示。從圖7～圖9可看出，近表面脆硬層金相組織主要由馬氏體＋珠光體＋貝氏體組成的不均勻組織。心部遠(yuǎn)離缺陷區(qū)的金相組織中鐵素體含量多，珠光體含量少；而心部靠近缺陷區(qū)的金相組織中鐵素體含量少，珠光體含量多，金相組織存在一定的不均勻性。

圖7 近表面微觀金相組織

圖8 心部遠(yuǎn)離缺陷區(qū)微觀金相組織

圖9 心部靠近缺陷區(qū)域微觀金相組織

3.7 宏觀斷口檢測

下連桿失效件宏觀斷口如圖10、圖11所示。從圖10、圖11可看出，失效件宏觀斷口表面平整，無撕裂特征，裂紋在表面形成后向心部擴(kuò)展，并且裂紋擴(kuò)展方向與斷裂表面呈近乎垂直的關(guān)系；A區(qū)斷口表面相對(duì)平滑，其形成與表面脆硬的硬化層有關(guān)，B區(qū)斷口表面顆粒狀較明顯。

圖10 裂紋樣品

圖11 斷口宏觀形貌

3.8 微觀斷口檢測

將下連桿失效件的裂紋打開，采用顯微鏡和掃描電鏡對(duì)裂紋斷口金相觀察，結(jié)果如圖12、圖13所示。結(jié)果顯示，A區(qū)和B區(qū)均呈現(xiàn)解理斷裂特性[13-15]，為脆性斷裂。

圖12 A區(qū)斷口形貌

圖13 B區(qū)斷口形貌

4 結(jié)果和討論

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，失效件中的wC高達(dá)0.5%，高于GB/T 700—2006中關(guān)于Q235B鋼的要求，根據(jù)失效件的硬度檢測結(jié)果，失效件心部硬度為217.3HV，而失效件裂紋所在側(cè)的硬度均值為467.7HV，遠(yuǎn)高于心部硬度。

由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，失效件抗拉強(qiáng)度高達(dá)650MPa，高于GB/T 7000—2006中對(duì)于Q235B鋼的要求，而斷后伸長率僅為6.0%，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，說明該失效件抗拉強(qiáng)度過高，塑性較差。同時(shí)沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，失效件沖擊吸收能量僅為7.2J，遠(yuǎn)低于GB/T 7000—2006中對(duì)Q235B鋼的要求，說明該失效件沖擊韌度很差。

綜合以上力學(xué)性能分析結(jié)果，失效件呈現(xiàn)強(qiáng)度過高、塑性和韌性很差的現(xiàn)象。

由宏觀檢測結(jié)果顯示，失效件沿枝晶生長方向存在裂紋，心部存在較嚴(yán)重的疏松和裂紋，近表面存在深度約2351.8μm的淬火硬化層。而且微觀檢測結(jié)果顯示，失效件心部組織不均勻，靠近缺陷區(qū)域與遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域相比，鐵素體含量少，珠光體含量多。這與硬度檢測結(jié)果呈現(xiàn)的失效件表層硬度高于心部的結(jié)果相一致，進(jìn)表面脆硬而且不均勻，導(dǎo)致其內(nèi)應(yīng)力較大，容易在使用過程中導(dǎo)致表面萌生裂紋，加上材料本身的塑性和韌性較差，而且心部組織不均勻，在實(shí)際惡劣工況環(huán)境下，承受反復(fù)沖擊載荷，增加了其斷裂傾向。

斷口宏觀和微觀檢測表明，斷口表現(xiàn)為典型的解理斷口特征，裂紋擴(kuò)展方向與斷裂表面近乎垂直，而且裂紋斷口的外觀平整，無撕裂特征，可以判定為脆性斷裂。

綜上分析，下連桿失效的主要原因是其組織及力學(xué)性能分布不均勻，加之心部缺陷多，在實(shí)際的工況下因承受反復(fù)的沖擊載荷而導(dǎo)致斷裂。

5 結(jié)束語

1）失效件的化學(xué)成分、硬度、拉伸性能、沖擊性能均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；失效件碳含量高，硬度分布不均勻，失效件強(qiáng)度高、塑性和韌性差。

2）失效件組織及力學(xué)性能的分布不均勻，以及心部缺陷較多是造成該失效件斷裂的主要原因。

3）根據(jù)斷口掃描電鏡檢測，斷口表現(xiàn)出解理斷口特征，可以判定失效件為脆性斷裂。