摘 要:采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡和能譜分析、顯微硬度測(cè)試等方法分 析了40Cr鋼油缸斷裂的原因。結(jié)果表明:油缸斷裂主要與硫元素含量超標(biāo)、硫化物聚集、表面凹 坑缺陷及熱處理不均勻有關(guān);硫元素易產(chǎn)生“熱脆”,聚集的條狀?yuàn)A雜物破壞了基體的連續(xù)性,使油 缸產(chǎn)生微裂紋,在表面凹坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中,熱處理不均勻使組織產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,萌生的裂紋及表面 凹坑在以上因素的作用下不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致油缸斷裂。

關(guān)鍵詞:40Cr鋼油缸;硫化物;夾雜物;微裂紋;應(yīng)力集中

中圖分類號(hào):TB31;TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)02-0058-05

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

某40Cr鋼油缸在工作過程中發(fā)生斷裂,其宏觀 形貌如圖1a)所示。將斷裂面切下并分成3塊,清 洗干凈后,其斷口宏觀形貌如圖1b)所示,可見有多 處裂紋源。

1.2 化學(xué)成分分析

從40Cr鋼油缸上截取一塊試樣,使用直讀光譜 儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由 表1可知:油缸硫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不符合 GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求,其他元素的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)均符合要求。

1.3 掃描電鏡分析

分別截取3個(gè)斷口試樣,并放入乙醇中,用超聲 波清洗干凈,再在掃描電鏡(SEM)下觀察[1],結(jié)果 如圖2~4所示。由圖2~4可知:斷口處均存在損 傷,表面較光滑,斷口特征已不明顯;裂紋源1為長(zhǎng) 條形凹坑,凹坑內(nèi)未發(fā)現(xiàn)夾雜物等冶金類缺陷(見圖2);裂紋源2處較平整光滑,裂紋在該階段擴(kuò)展較緩 慢,斷口反復(fù)張開與閉合使斷口兩面相互擠磨留下 痕跡[2](見圖3);裂紋源3為一形狀不規(guī)則的小凹 坑,凹坑內(nèi)未發(fā)現(xiàn)夾雜物等冶金類缺陷,在裂紋源附 近發(fā)現(xiàn)一次裂紋和二次裂紋(見圖4)。

1.4 金相檢驗(yàn)

沿裂紋源1處縱向剖開,沿縱截面制備金相試 樣,編號(hào)為1# ;沿裂紋源2及裂紋源3處分別制備 金相試樣,編號(hào)為2# ,3# ,取樣位置如圖5所示。3 個(gè)試樣經(jīng)磨拋后,腐蝕劑選用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝 酸乙醇溶液,在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣的顯微組 織[3]。

圖6為1# 試樣裂紋源1處縱向截面的微觀形 貌。由圖6可知:裂紋源處存在一個(gè)凹坑,深度約為 0.06mm,周圍脫碳較嚴(yán)重,且脫碳區(qū)域存在粗大的 魏氏組織,基體組織為回火索氏體+貝氏體;另外, 整個(gè)檢驗(yàn)面分布有較多的硫化物,且靠近斷口邊部 的裂紋沿硫化物擴(kuò)展。

圖7為2# 試樣裂紋源2處縱向截面的微觀形 貌。由圖7可知:裂紋源處分布較多硫化物,經(jīng)腐 蝕后發(fā)現(xiàn)裂紋源附近組織為回火馬氏體,而基體 組織為回火索氏體+少量鐵素體,整個(gè)檢驗(yàn)面分 布著較多硫化物,且靠近斷口邊部的裂紋沿硫化 物擴(kuò)展。

圖8為3# 試樣裂紋源3處縱向截面的微觀形 貌。由圖8可知:裂紋源有一呈傾斜狀向基體延伸 的凹坑,深度約為0.2mm,周邊無(wú)脫碳;整個(gè)檢驗(yàn)面 分布有較多硫化物,有些裂紋沿硫化物擴(kuò)展,且靠近 斷口邊部的硫化物沿裂紋分布;裂紋源處與基體的 組織均為回火屈氏體+少量鐵素體。

1.5 能譜分析

選取3# 金相試樣,對(duì)裂紋源處的硫化物進(jìn)行能 譜分析,結(jié)果如圖9所示。

1.6 顯微硬度測(cè)試

分別對(duì)3個(gè)金相試樣的不同區(qū)域進(jìn)行顯微硬度 測(cè)試,結(jié)果如表2所示。

從表2可知,不同組織的顯微硬度差距較大。

2 綜合分析

通過化學(xué)成分分析結(jié)果可知,油缸的硫元素質(zhì) 量分?jǐn)?shù)超標(biāo),其他元素滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。硫元素是鋼 中的有害元素,主要以 FeS的形態(tài)存在于鋼中,與 Fe形成低熔點(diǎn)化合物;當(dāng)鋼材進(jìn)行熱壓力加工時(shí), FeS因熔點(diǎn)過低而過早熔化,導(dǎo)致其開裂,即為“熱 脆”現(xiàn)象;含硫量越高,熱脆現(xiàn)象越嚴(yán)重[4],因此在煉鋼過程中要嚴(yán)格控制硫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

通過宏觀觀察,發(fā)現(xiàn)斷口處存在多處裂紋源,分 別位于油缸釬桿孔內(nèi)壁、油缸釬桿孔內(nèi)壁與銷孔內(nèi) 壁相交的尖角處;其中兩處裂紋源附近呈扇形,為緩 慢擴(kuò)展留下的痕跡,后呈放射狀向外快速擴(kuò)展,屬于 典型的疲勞斷裂。

用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌,發(fā)現(xiàn)整個(gè)斷 口均被氧化或磨平,無(wú)法觀察斷口特征;其中有兩處 裂紋源存在凹坑,一處裂紋源較光滑且已被磨平。

由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知:整個(gè)裂紋源附近檢驗(yàn)面 的硫化物分布較多,呈條狀且靠近斷口邊部的硫化 物沿裂紋分布。硫化物的塑性比基體差,當(dāng)其聚集 分布時(shí),會(huì)破壞基體的連續(xù)性[5],在加工油缸的過程 中,因夾雜物與基體變形不一致而產(chǎn)生微裂紋[6];在 油缸后期的使用過程中,反復(fù)受力使微裂紋不斷擴(kuò) 展,直至油缸斷裂。因此要調(diào)整工藝來(lái)嚴(yán)格控制硫化物的形狀、數(shù)量及分布,使其往越短、越窄、越少及 分散狀的方向發(fā)展[7]。

油缸內(nèi)壁組織不均勻,各部位組織及硬度相差 較大,說(shuō)明油缸整體熱處理存在問題。材料在淬火 時(shí)未完全淬透成馬氏體,導(dǎo)致有些區(qū)域?yàn)樨愂象w、鐵 素體,回火不充分導(dǎo)致有些區(qū)域?yàn)榛鼗瘃R氏體、回火 屈氏體,即未全部得到回火索氏體,故組織狀態(tài)不滿 足要求。

凹坑、裂紋破壞了表面的連續(xù)性,在工作載荷的 作用下,材料表面極易產(chǎn)生應(yīng)力集中而成為裂紋源, 裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)生斷裂;熱處理不充分導(dǎo)致組織 不理想且不均勻,易產(chǎn)生組織內(nèi)應(yīng)力[8],在受力變形 過程中促使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展而發(fā)生斷裂。因此,要 嚴(yán)格控制油缸的表面狀態(tài)及熱處理工藝,確保獲得 較好的表面質(zhì)量及均勻的回火索氏體組織。

3 結(jié)語(yǔ)

油缸斷裂主要與硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)、硫化物 聚集、表面凹坑缺陷及熱處理不均勻有關(guān)。硫元素 易產(chǎn)生“熱脆”現(xiàn)象,降低鋼的延展性與韌性,在后期 鋼材的軋制或鍛造過程中萌生出裂紋。聚集的條狀 夾雜物破壞了基體的連續(xù)性[9],在后期加工變形過 程中,因夾雜物與基體變形不一致而產(chǎn)生微裂紋。 表面凹坑缺陷易產(chǎn)生應(yīng)力集中[10],成為裂紋源。油 缸熱處理淬火、回火不充分導(dǎo)致整體組織不均勻,各 部位硬度相差較大,易產(chǎn)生組織內(nèi)應(yīng)力。油缸在使用過程中反復(fù)受力,尤其靠近釬桿與銷孔內(nèi)壁部位, 萌生的微裂紋或表面凹坑會(huì)不斷擴(kuò)展,并在組織內(nèi) 應(yīng)力的作用下擴(kuò)展速率加快,直至發(fā)生斷裂。

參考文獻(xiàn):

[1] 王輝,張勇,梁斌,等.40Cr泵軸斷裂失效分析[J].石 油化工設(shè)備技術(shù),2018,39(5):11-14,69.

[2] 崔約賢,王長(zhǎng)利.金屬斷口分析[M].哈爾濱:哈爾濱 工業(yè)大學(xué)出版社:1998.

[3] 李杰,鄧云哲,何志輝,等.油缸用35鋼銷軸斷裂的原 因[J].機(jī)械工程材料,2017,41(8):106-109.

[4] 朱苗勇.現(xiàn)代冶金學(xué)(鋼鐵冶金卷)[M].北京:冶金 工業(yè)出版社:2005.

[5] 黃鎮(zhèn),顧鐵.鈣處理非調(diào)質(zhì)鋼的夾雜物控制[J].現(xiàn)代 冶金,2019,47(5):9-11.

[6] 鄭浩,劉麗華,張中武,等.熱加工對(duì)硫化物及氧化物 夾雜 的 影 響 [J].材 料 導(dǎo) 報(bào),2021,35(13):13168- 13176.

[7] 何玉東.Mg改質(zhì) Y1Cr13鋼中硫化物的工藝研究 [J].特鋼技術(shù),2020,26(3):31-34.

[8] 甘美露,張強(qiáng),王書強(qiáng),等.油缸活塞桿斷裂原因分析 [J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2019,55(10):733-735.

[9] 謝文婷,祁紅璋,任蓓蕾,等.某風(fēng)電機(jī)組行星齒輪斷 齒原因[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2022,58(3):58- 62.

[10] 陸慧,孫明正.船用柴油機(jī)拉缸故障失效分析[J].理 化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2022,58(2):45-48.

<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 59卷 > 2期 (pp:58-62)>