工程機械穿孔桿零件失效分析及改進

上官琪 許征兵 朱斌強 張 璇

（1.廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.廣西大學廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室，廣西 南寧 530004）

0 引言

失效廣泛存在于現代工業系統中，該狀況會導致產品服役期內功能、性能降級或喪失[1]。該文針對某型工程機械穿孔桿類零件失效事件，開展了全面的檢驗與分析。在宏觀斷口分析基礎上，對零件的各部位取樣，進行了金相檢驗、維氏硬度測試和表面探傷。根據疲勞極限模型對零件壽命進行了估算，結合失效件的斷裂受力分析、工藝調查、殘余應力以及疲勞分析結果，提出結構改進和工藝調整的建議。

穿孔桿類零件作為工程機械常用的一種零件，被廣泛用于機構的連接，在承擔結構強度的同時，通常利用徑向孔承擔潤滑補油的作用。穿孔桿類零件失效的主要失效模式是斷裂，在以往的失效分析中，僅強調對宏觀裂紋的觀察和分析[2]。該文擬以某工程機械穿孔桿零件斷裂失效為案例，對穿孔桿類零件失效分析展開探討。根據市場反饋，某型用于工作裝置的穿孔桿零件連續發生斷裂事故，斷裂時的工作時間集中在65h～1200h，失效多表現為徑向油孔處斷裂。經斷口和外觀檢查，初步確定為疲勞斷裂，為進一步確定原因，該文任意抽取了4 件穿孔桿類零件產品，對孔口位置斷口處進行了宏觀斷口分析、金相檢驗和維氏硬度測試，以研究疲勞斷裂的機理及原因。同時以孔口位置為研究對象，根據疲勞極限模型，對零件壽命進行了估算，估算結果與實際統計趨勢相符，證明了失效機理的正確性。

1 試驗過程與結果

1.1 失效分析流程

根據產品的工作特點及設計、加工要求，系統梳理了適用于穿孔桿零件的失效分析流程，并將其標準化。分析步驟為服役信息收集、斷口宏觀分析、原材料成分檢查、金相組織調查、零件受力分析、熱處理工藝調查、表面狀態調查、疲勞壽命分析，失效分析流程圖如圖1 所示。

圖1 失效分析流程圖

1.2 失效情況檢查

4 件樣本中，1#、4#樣件為故障現場返回的失效件，2#、3#樣件為同批次生產的正常件。失效零件斷裂位置集中于中間孔處，穿孔桿斷裂后如未能及時發現，極易引起安全事故。斷口處外觀呈銀亮光澤，無氧化色，斷口清晰。

1.3 斷口試驗及分析

將1#、4#樣件從斷裂位置打開，為便于對比分析，將2#、3#樣件同樣從中油孔處打開。宏觀斷口照片顯示，斷裂屬典型的彎曲疲勞斷裂，呈現油孔口的疲勞源、中部的疲勞裂紋擴展區和油孔尾部瞬間斷裂區3 個區域。圖2 所示為1#和2#樣件的油孔口斷面圖。油孔口附近均有表面淬火加熱痕跡，鉆孔后內表面粗糙不平，殘留深淺不一的加工臺階痕跡，尖角引起應力集中，導致裂紋首先在此起源。加工臺階刀痕成為多個裂紋源，裂紋源距加工油孔口表面3mm～5mm，距離表面越近受力越大，形成扇形裂紋擴展區。孔口倒角表面粗糙度高，刀痕尖端在表淬時極易引起應力集中甚至淬火裂紋[3]。

圖2 油孔口宏觀斷面

1.4 材質分析

1.4.1 成分檢查

已知零件使用的原材料為40Cr 鋼。化學成分分析（wt.%）結果顯示，合金化學成分符合要求，可排除原材料因素。

1.4.2 硬度及金相檢查

對樣件進行硬化層深度、硬度、組織等檢驗結果顯示。見表1，零件表面淬火有效硬化層深、表面硬度均符合要求。

表1 樣件表面、心部硬度及組織

2 穿孔桿類零件斷裂的機理研究

2.1 受力分析

對某工程機械工作時實地調查發現，機構運作過程中，零件主要承受循環彎、剪載荷，作用力為來自下方的F1 和對稱作用力F2、F3（圖3）。CAE 模擬分析結果顯示，載荷施加面為中部下表面，在油孔口部位存在應力集中，且應力集中一直延伸至內部油道1/3 處，應力最大值為240 MPa。

圖3 零件受力情況

2.2 工藝調查

零件制造工藝為下料—調質—機加（車、鉆）—表面淬火回火—機加（磨）—焊耳板（如需要）—涂裝（如需要）。熱處理技術要求為調質處理后心部組織硬度229HB～302HB；硬化層深3 mm～5 mm，硬度范圍48HRC～55HRC。。經核查，樣件表面硬化層深度均屬合理范圍，心部組織硬度也表現正常，但工藝記錄顯示1#、4#樣件表面淬火后未經回火處理。

2.3 殘余應力檢測及表面探傷

為進一步確定回火工序對表面微裂紋起源的影響，聯系前文的分析結果，將調查的重點轉移到裂紋源的產生。觀察失效件孔口附近斷口發現，油孔孔口倒角表面粗糙程臺階狀，淬火時易在臺階底部形成裂紋（圖4）。

圖4 孔口位置照片

為確定裂紋的起源，對零件孔口位置殘余應力檢測和表面探傷。檢測點為油道孔口截面法向方向，及油道內距孔口3 mm～5 mm 處（圖5）。殘余應力的檢測結果顯示，在未經回火處理的1#、4#樣件孔口附近存在劇烈的應力變化，以壓應力為主。而經過回火處理的2#、3#樣件孔口附近應力變化情況則較小。初步可以判定，熱處理工藝的差異，是導致孔口位置表面應力劇烈變化的原因。而表面應力的劇烈變化，則是裂紋的產生和發展的主要驅動能量來源（表2）。

圖5 X 射線殘余應力檢測點

表2 殘余應力檢測結果

為確認殘余應力的分析結果，對失效樣件和同批次生產的正常件均進行了表面探傷。發現，在未經回火處理的1#、4#樣件孔口處有明顯的裂紋缺陷（圖6），但同批次生產的正常件則未發現有裂紋。可確定油孔口裂紋的產生與否，與表面淬火后是否經回火處理有直接關系。

圖6 樣件表面探傷

2.4 疲勞分析及壽命估算

材料力學方法是目前疲勞研究或應用中被最廣泛應用的方法，可描述應力振幅和循環次數的關系。根據機械零件疲勞極限的計算方法[4-5]，對40Cr 穿孔桿零件應力疲勞情況進行分析，將孔口位置應力最大值代入公式，計算循環次數最少約為9.3×104次。按照40s 一次工作循環計算，估算零件的使用時間約為1100h，而零件失效時間集中于65h～1200h，壽命估算結果與工程實際情況相吻合。

3 結語

通過對穿孔桿類零件失效的基本特征分析可得，油孔口處缺口效應及熱處理工序失控導致組織不合格，是造成早期失效的內在原因。因此，建議采取以下措施：1）降低孔口出的應力集中系數。調整孔口位置及桿徑，避開主承力面，提高零件抗載荷能力；控制油道機加表面粗糙度，提高疲勞極限值。2）嚴控熱處理過程。控制調質及表面淬火后回火工序，保證桿類零件的內部熱處理組織合格，避免微裂紋產生。同時，在完成熱處理后應進行殘余應力檢測和表面探傷。