油缸活塞桿表面修復(fù)后導(dǎo)致的疲勞斷裂

汪偉新

（江西省德興銅礦采礦場，江西 德興 334224）

油缸活塞桿表面修復(fù)后導(dǎo)致的疲勞斷裂

Fatigue fracture after surface repair for oil cylinder piston rod

汪偉新

（江西省德興銅礦采礦場，江西 德興 334224）

活塞桿經(jīng)表面修復(fù)后發(fā)生斷裂的失效形式分析，指出了失效形式為早期疲勞斷裂，并有多源超負(fù)荷和強(qiáng)烈缺口敏感性的特點。表面修復(fù)層脆性狀態(tài)缺少足夠的塑性，修復(fù)層容易疲勞損傷，高硬度的修復(fù)層材料增加了疲勞缺口敏感性；修復(fù)層與活塞桿焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生的缺陷會縮短疲勞斷裂紋萌發(fā)階段，這幾點是使修復(fù)后的活塞桿發(fā)生早期疲勞斷裂的主要原因。因此，在進(jìn)行活塞桿表面修復(fù)的同時，必須設(shè)法消除導(dǎo)致早期疲勞斷裂的因素，才能有效的延長修復(fù)后活塞桿的使用壽命。

活塞桿；表面修復(fù)；外載破損；疲勞斷裂；殘余應(yīng)力

工程機(jī)械的油缸活塞桿，由于其工況的原因常常造成表面劃傷或碰傷等不同程度的損傷，修理人員一般采用的修理方法是對活塞桿損傷部位進(jìn)行表面金屬堆焊、磨削工藝，電刷鍍硬金屬工藝對其表面進(jìn)行修復(fù)、強(qiáng)化。通過分析我們發(fā)現(xiàn)活塞桿表面修復(fù)后產(chǎn)生早期疲勞斷裂有以下特點：斷裂屬于早期疲勞斷裂；早期疲勞斷裂呈多源性斷裂現(xiàn)象較為普遍；修復(fù)層與活塞桿母材交界處缺口裂紋明顯。

究其原因：一是活塞桿焊接修復(fù)后產(chǎn)生殘余應(yīng)力,在磨削中發(fā)生表面燒傷等情況；二是修復(fù)層脆性狀態(tài)，硬度高塑性低使總應(yīng)力峰值難以得到釋放；三是存在修復(fù)層與活塞桿母材的交界處的缺陷。

1 活塞桿進(jìn)行焊接修復(fù)會產(chǎn)生殘余應(yīng)力

活塞桿使用的材料是45#鋼或40Cr低合金鋼，對于受拉伸和壓縮的活塞桿件來說，活塞桿的拉伸強(qiáng)度和表面硬度，如果低于技術(shù)條件要求,抗疲勞性能就會降低,這是活塞桿早期疲勞斷裂的主要原因。

由于焊縫的強(qiáng)度通常比母材要高，當(dāng)外在引起的壓應(yīng)力與殘余應(yīng)力中的壓應(yīng)力疊加之和達(dá)到屈服點口，這一部分截面喪失了進(jìn)一步承受外載的能力，并且改變了有效截面積的分布，降低了受壓桿件的穩(wěn)定性。

2 修復(fù)層脆性狀態(tài)容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)早期破壞

由于活塞桿焊接過程中受熱不均勻，桿件會產(chǎn)生焊接熱應(yīng)力并伴塑性變形，焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)強(qiáng)度、硬度也隨之發(fā)生改變。

雖然這樣可以使修復(fù)層的表面硬度提高，對活塞桿的抗擊打以及耐磨性是有益的。但是有殘余應(yīng)力集中的焊接結(jié)構(gòu)，拉伸殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力疊加有可能使局部區(qū)域的應(yīng)力首先達(dá)到斷裂強(qiáng)度，總應(yīng)力峰值達(dá)到屈服點后，該區(qū)應(yīng)力不再增加而產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)材料的塑性耗盡時，就會造成破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)早期破壞，出現(xiàn)疲勞斷裂。

3 缺口敏感性對修復(fù)層的影響

疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的主要形式，活塞桿的疲勞斷裂是在修復(fù)層附近（修復(fù)層與母材交界處）即焊縫趾端與根部，焊縫趾端與根部殘余應(yīng)力相對集中，塑性變形能力降低，當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)較高時，會使焊縫趾端與根部產(chǎn)生局部材質(zhì)塑性應(yīng)變。這樣活塞桿表面修復(fù)后就有兩個問題。

一是母材與焊縫趾端交界處。當(dāng)焊縫殘余應(yīng)力的疊加使總應(yīng)力峰值增大，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫的薄弱環(huán)節(jié)或母材與焊縫趾端交界處。

二是母材與焊縫根部位置，當(dāng)焊縫殘余應(yīng)力的疊加使總應(yīng)力峰值增大，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫的薄弱環(huán)節(jié)或母材與焊縫根部。修復(fù)層脆性材料硬度高塑性低的特點使應(yīng)力峰值無法得到釋放，發(fā)源于焊縫趾端與根部的疲勞斷口，最后斷裂區(qū)在斷口的中部，疲勞線形狀由于缺口敏感性促使邊緣擴(kuò)展加速而改變，凸起部分則因擴(kuò)展過程的摩擦和擠壓作用與擴(kuò)展方向成相反方向。

4 修復(fù)層的界面缺陷

修復(fù)層的普遍缺陷主要是由于焊接時未焊透，若不能保證焊透就會有氣孔、裂紋等缺陷。

一是疲勞強(qiáng)度無法達(dá)到或接近母材強(qiáng)度。

二是會產(chǎn)生孔隙，孔隙尺度一般在0.001~0.01 mm之間，屬于微觀范圍。

三是粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理再精加工，對其表面進(jìn)行高頻淬火，使其表面硬度達(dá)到HRC45—55范圍內(nèi)，堆焊造成的熱裂紋和伴隨產(chǎn)生的材料塑性變形能力下降。

四是電鍍時在陰極上析出的氫滲入鍍件而引起的缺陷。鋼材電鍍時都會產(chǎn)生氫脆風(fēng)險，電鍍表面上吸附的氫以游離形式向活塞桿材料內(nèi)部滲入并積聚，導(dǎo)致活塞桿材料的脆性。內(nèi)部積聚的氫具可逆性也會反向析出，使鍍層脫層、裂紋，導(dǎo)致疲勞裂紋在界面上形成，這種裂紋就成了疲勞源。

5 結(jié)束語

從上述的分析中得知，造成修復(fù)后活塞桿早期疲勞斷裂的實質(zhì)原因：一是焊縫及其熱影響區(qū)集中殘余應(yīng)力所致，當(dāng)焊接殘余應(yīng)力與承載的工作應(yīng)力疊加，其數(shù)值超過材料的屈服極限時，工件就會在焊縫附近產(chǎn)生焊接變形，斷裂等現(xiàn)象；二是修復(fù)層界面缺陷。為了有效的延長活塞桿修復(fù)后的使用壽命，在滿足耐磨性和高強(qiáng)度要求的同時，必須設(shè)法消除導(dǎo)致早期疲勞斷裂的因素。

因此，除了在修復(fù)工藝上盡可能減少缺陷外，最有效的方法是在堆焊過程中采用金屬冷熔焊技術(shù)和保溫處理的方法消除殘余拉應(yīng)力，使表層得到殘余壓應(yīng)力。

[1] 袁熙，李舜酩. 疲勞壽命預(yù)測方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 航空制造技術(shù)，2005（12）.

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TH243

1009-797X(2015)24-0167-02

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.068

汪偉新（1969-），男，大專學(xué)歷，機(jī)械助理工程師，主要從事工程機(jī)械設(shè)備技術(shù)管理。

2015-12-26