摘 要:力矩扳手連接桿在使用中發(fā)生斷裂,通過(guò)宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、顯微 組織觀察和斷口分析等方法,對(duì)該連接桿斷裂的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:連接桿硬度合格,抗拉 強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率不合格,顯微組織為回火索氏體+網(wǎng)狀鐵素鐵+魏氏組織,不符合技術(shù)要 求;斷口屬于疲勞斷裂,裂紋起源于連接桿外表面,裂紋源處無(wú)夾雜物;斷裂的主要原因是連接桿熱 處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致力學(xué)性能偏低;通過(guò)降低淬火溫度、縮短保溫時(shí)間和淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間以及提高淬火 冷卻速率等措施后,連接桿服役了18個(gè)月,未發(fā)生斷裂。

關(guān)鍵詞:連接桿;魏氏組織;工藝改進(jìn);網(wǎng)狀鐵素體

中圖分類號(hào):TG142.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2021)11-0071-04

力矩扳手的主要作用是緊固螺栓,其應(yīng)用力矩 一般為扳手扭力的20%~90%連續(xù)可調(diào),使用時(shí)先 設(shè)定目標(biāo)扭矩,扳動(dòng)手柄,在其扭矩達(dá)到目標(biāo)值時(shí), 扳手會(huì)發(fā)生輕微的震動(dòng)和清晰的“卡塔”聲。某力矩 扳手使用了3個(gè)月后,頭部和手柄之間的連接桿出 現(xiàn)斷裂。為查明其斷裂原因,筆者進(jìn)行了一系列理 化檢驗(yàn)與分析,并對(duì)其熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn),以防止 該類問(wèn)題的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

力矩扳手長(zhǎng)1180mm,扭矩為1200N·m,斷 裂發(fā)生在其頭部和手柄連接處,見(jiàn)圖1a),由于靠近 扳手頭部,此處受力較大。圖1b)是安裝在扳手內(nèi) 部的連接桿,主要作用是連接頭部和手柄,直徑為 16mm,長(zhǎng)為350mm。圖1c)是力矩扳手的斷口宏 觀形貌,斷口分為3個(gè)區(qū)域:Ⅰ區(qū)是裂紋源區(qū),位于 斷口邊緣位置,約占斷口面積的1%~2%;Ⅱ區(qū)是疲 勞擴(kuò)展區(qū),呈亮白月牙形,有明顯疲勞輝紋,約占斷口面積的8%~10%;Ⅲ區(qū)是瞬斷區(qū),顏色灰暗,有明 顯撕裂棱,約占斷口面積的90% [1]。由此可知,斷 裂時(shí)連接桿受力較大,屬于高應(yīng)力低周疲勞斷裂。

1.2 化學(xué)成分分析

連接桿材料為40Cr合金鋼,在斷口附近取尺寸 為?16mm×12mm 的圓柱形試樣,經(jīng)磨床磨平和 砂輪機(jī)拋光后,采用PDA-5500型直讀光譜儀進(jìn)行 化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,可見(jiàn)其化學(xué)成分符 合GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)40Cr合金鋼 的技術(shù)要求。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

經(jīng)調(diào) 質(zhì) 熱 處 理 的 連 接 桿,其 硬 度 為 22~ 26HRC,在連接桿上截取一段尺寸為?10mm× 5mm的試樣,采用SHK-A105型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī) 測(cè)其拉伸性能,采用 HR-150DT型洛氏硬度計(jì)測(cè)其 硬度,結(jié)果如表2所示,其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸 率均不符合技術(shù)要求。

1.4 顯微組織觀察

在靠近連接桿斷口處截取試樣,用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸乙醇進(jìn)行腐蝕后,采用 CX31P-OC-1型 顯微鏡進(jìn)行觀察。由圖2可見(jiàn),暗灰色組織為馬 氏體經(jīng)高溫回火后轉(zhuǎn)變成的回火索氏體,以及母 相奧氏體晶界處析出的網(wǎng)狀鐵素體和平行分布的 針狀鐵素體,呈倒三角形分布在晶粒內(nèi)部的是魏 氏組織,魏氏組織中的鐵素體沿母相奧氏體的慣 習(xí)面析出,慣習(xí)面的晶面指數(shù)為{111}γ。淬火冷 卻條件下,當(dāng)溫度降至Ac3 線時(shí),為了保持組織的 穩(wěn)定,多余的鐵素體會(huì)從固溶體中向四周“排出 去”,從而形成網(wǎng)狀鐵素體,這是典型的高溫轉(zhuǎn)變 特征。冷卻速率越慢,越容易形成網(wǎng)狀鐵素體和 魏氏組織,連接桿在冷卻過(guò)程發(fā)生了高溫轉(zhuǎn)變,說(shuō) 明其熱處理工藝不合理。

1.5 斷口分析

圖3a)是斷口起始區(qū)的微觀形貌,起始區(qū)位于 斷口邊緣,在裂紋源附近,有明顯的同心圓狀貝紋 線,這是疲勞擴(kuò)展的典型特征,說(shuō)明其斷裂形式屬于 疲勞開(kāi)裂,對(duì)圖3a)方框處進(jìn)行能譜分析,如圖3d) 所示,Fe,Cr,Mn,O 的衍射峰比較明顯,說(shuō)明裂紋 源不是夾雜物引起的[2]。圖3b)是擴(kuò)展區(qū)的微觀形 貌,疲勞輝紋較窄,說(shuō)明擴(kuò)展時(shí)應(yīng)力較小。圖3c)是 瞬斷區(qū)的微觀形貌,有較多的橢圓形韌窩,說(shuō)明連接 桿最后斷裂是被拉斷的。

2 分析與討論

對(duì)連接桿的斷口進(jìn)行分析,可知斷口屬于疲勞 斷口,斷口位置沒(méi)有夾雜物,表面沒(méi)有劃痕損傷,但 其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率均不符合技術(shù)要求。 通過(guò)顯微組織觀察可知,斷口處組織為網(wǎng)狀鐵素體 和魏氏組織,說(shuō)明在調(diào)質(zhì)過(guò)程中溫度較高,連接桿中 的奧氏體具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性,導(dǎo)致魏氏組織的形成。 其次,零件從熱處理爐取出到入淬火介質(zhì)前的停留 時(shí)間較長(zhǎng),導(dǎo)致鐵素體在晶界處析出并形成網(wǎng)狀,這 降低了晶界的強(qiáng)度和界面能,從而使材料脆性升高。 在外力作用下,裂紋萌生、擴(kuò)展至晶界處,由于該處 鐵素體硬度較低,晶界成為裂紋的擴(kuò)展通道[3]。因 此,需要對(duì)連接桿的熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)。

3 熱處理工藝改進(jìn)

對(duì)連接桿的熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)的措施是:(1) 將淬火溫度由880℃降低至830℃,較低的淬火溫 度可使奧氏體微區(qū)成分的不均勻性升高,同時(shí)可降 低奧氏體的熱穩(wěn)定性,減小奧氏體發(fā)生高溫轉(zhuǎn)變而 分解成針狀鐵素體的概率,促使微區(qū)中的奧氏體提 前轉(zhuǎn)變;(2)縮短保溫時(shí)間,可避免高溫下奧氏體晶 粒長(zhǎng)大和表面脫碳[4];(3)原熱處理工藝中,連接桿 在臺(tái)車爐中密排加熱后,需裝筐后進(jìn)行淬火,轉(zhuǎn)移時(shí)間約為180s,改進(jìn)后將連接桿在網(wǎng)帶爐中進(jìn)行分散 加熱,可快速進(jìn)入淬火介質(zhì)中,轉(zhuǎn)移時(shí)間約為8s,縮 短轉(zhuǎn)移時(shí)間可抑制網(wǎng)狀鐵素體的析出,促使奧氏體 組織快速進(jìn)入低溫轉(zhuǎn)變區(qū),從而發(fā)生低溫馬氏體轉(zhuǎn) 變;(3)連接桿為細(xì)長(zhǎng)桿狀,淬火后應(yīng)力比較均勻,不 易開(kāi)裂,原淬火介質(zhì)為普通淬火油,油在 550~ 650℃范圍內(nèi)的冷卻速率較低,平均冷卻速率僅 60~100℃/s,該溫度區(qū)間處于連續(xù)轉(zhuǎn)變 C曲線的 “鼻尖”部位,需要快速冷卻,經(jīng)改用12%(質(zhì)量分 數(shù))PAG(聚烷撐乙二醇)溶液后,冷卻速率加快,可 減少該溫度區(qū)間內(nèi)的中溫轉(zhuǎn)變,從而得到較為理想 的低溫馬氏體組織和較大的淬硬層深度。

采用改進(jìn)后的工藝對(duì)連接桿進(jìn)行熱處理,并對(duì) 其力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè),其抗拉強(qiáng)度為1054MPa,屈 服強(qiáng) 度 為 880 MPa,延 伸 率 為 12%,硬 度 為 23HRC,均符合技術(shù)要求。熱處理后的顯微組織 見(jiàn)圖4,沒(méi)有網(wǎng)狀鐵素體和魏氏組織,也沒(méi)有大塊狀的鐵素體,組織均勻、穩(wěn)定。經(jīng)改進(jìn)工藝熱處理后, 連接桿服役已18個(gè)月,未發(fā)生斷裂。

4 結(jié)論

(1)連接桿的硬度合格,抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、 延伸率均不符合技術(shù)要求;顯微組織為回火索氏體 +網(wǎng)狀鐵素體+魏氏組織,斷口屬于疲勞斷口,裂紋 起源于連接桿外表面,裂紋源處無(wú)夾雜物。

(2)造成連接桿斷裂的原因是連接桿熱處理工 藝不合格,導(dǎo)致其力學(xué)性能偏低,通過(guò)降低淬火溫 度、縮短保溫時(shí)間和轉(zhuǎn)移時(shí)間以及提高淬火冷卻速 率,對(duì)其熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)。

(3)經(jīng)改進(jìn)工藝熱處理后,連接桿的力學(xué)性能 和顯微組織均符合技術(shù)要求,服役18個(gè)月未斷裂。

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