摘 要:采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、掃描電鏡和能譜分析、顯微硬度測試等方法分 析了40Cr鋼油缸斷裂的原因。結果表明:油缸斷裂主要與硫元素含量超標、硫化物聚集、表面凹 坑缺陷及熱處理不均勻有關;硫元素易產生“熱脆”,聚集的條狀夾雜物破壞了基體的連續(xù)性,使油 缸產生微裂紋,在表面凹坑處產生應力集中,熱處理不均勻使組織產生內應力,萌生的裂紋及表面 凹坑在以上因素的作用下不斷擴展,最終導致油缸斷裂。
關鍵詞:40Cr鋼油缸;硫化物;夾雜物;微裂紋;應力集中
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)02-0058-05
1 理化檢驗
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 化學成分分析
從40Cr鋼油缸上截取一塊試樣,使用直讀光譜 儀對其進行化學成分分析,結果如表1所示。由 表1可知:油缸硫元素的質量分數不符合 GB/T 3077—2015《合金結構鋼》的要求,其他元素的質量 分數均符合要求。
1.3 掃描電鏡分析
分別截取3個斷口試樣,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 條形凹坑,凹坑內未發(fā)現夾雜物等冶金類缺陷(見圖2);裂紋源2處較平整光滑,裂紋在該階段擴展較緩 慢,斷口反復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,凹坑內未發(fā)現夾雜物等冶金類缺陷,在裂紋源附 近發(fā)現一次裂紋和二次裂紋(見圖4)。
1.4 金相檢驗
沿裂紋源1處縱向剖開,沿縱截面制備金相試 樣,編號為1# ;沿裂紋源2及裂紋源3處分別制備 金相試樣,編號為2# ,3# ,取樣位置如圖5所示。3 個試樣經磨拋后,腐蝕劑選用4%(體積分數)的硝 酸乙醇溶液,在光學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:裂紋源處存在一個凹坑,深度約為 0.06mm,周圍脫碳較嚴重,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, 整個檢驗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,經腐 蝕后發(fā)現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,整個檢驗面分 布著較多硫化物,且靠近斷口邊部的裂紋沿硫化 物擴展。
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,周邊無脫碳;整個檢驗面 分布有較多硫化物,有些裂紋沿硫化物擴展,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,對裂紋源處的硫化物進行能 譜分析,結果如圖9所示。
1.6 顯微硬度測試
分別對3個金相試樣的不同區(qū)域進行顯微硬度 測試,結果如表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
通過化學成分分析結果可知,油缸的硫元素質 量分數超標,其他元素滿足標準要求。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形成低熔點化合物;當鋼材進行熱壓力加工時, FeS因熔點過低而過早熔化,導致其開裂,即為“熱 脆”現象;含硫量越高,熱脆現象越嚴重[4],因此在煉鋼過程中要嚴格控制硫元素的質量分數。
通過宏觀觀察,發(fā)現斷口處存在多處裂紋源,分 別位于油缸釬桿孔內壁、油缸釬桿孔內壁與銷孔內 壁相交的尖角處;其中兩處裂紋源附近呈扇形,為緩 慢擴展留下的痕跡,后呈放射狀向外快速擴展,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)現整個斷 口均被氧化或磨平,無法觀察斷口特征;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。
由金相檢驗結果可知:整個裂紋源附近檢驗面 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,當其聚集 分布時,會破壞基體的連續(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生微裂紋[6];在 油缸后期的使用過程中,反復受力使微裂紋不斷擴 展,直至油缸斷裂。因此要調整工藝來嚴格控制硫化物的形狀、數量及分布,使其往越短、越窄、越少及 分散狀的方向發(fā)展[7]。
油缸內壁組織不均勻,各部位組織及硬度相差 較大,說明油缸整體熱處理存在問題。材料在淬火 時未完全淬透成馬氏體,導致有些區(qū)域為貝氏體、鐵 素體,回火不充分導致有些區(qū)域為回火馬氏體、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,材料表面極易產生應力集中而成為裂紋源, 裂紋進一步擴展發(fā)生斷裂;熱處理不充分導致組織 不理想且不均勻,易產生組織內應力[8],在受力變形 過程中促使裂紋進一步擴展而發(fā)生斷裂。因此,要 嚴格控制油缸的表面狀態(tài)及熱處理工藝,確保獲得 較好的表面質量及均勻的回火索氏體組織。
3 結語
油缸斷裂主要與硫元素質量分數超標、硫化物 聚集、表面凹坑缺陷及熱處理不均勻有關。硫元素 易產生“熱脆”現象,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生微裂紋。 表面凹坑缺陷易產生應力集中[10],成為裂紋源。油 缸熱處理淬火、回火不充分導致整體組織不均勻,各 部位硬度相差較大,易產生組織內應力。油缸在使用過程中反復受力,尤其靠近釬桿與銷孔內壁部位, 萌生的微裂紋或表面凹坑會不斷擴展,并在組織內 應力的作用下擴展速率加快,直至發(fā)生斷裂。
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