液壓油缸缸筒爆裂原因

張 強(qiáng), 王書強(qiáng), 王 偉

[國家船舶材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(江蘇), 江陰 214434]

液壓油缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、做直線往復(fù)運(yùn)動(或擺動運(yùn)動)的液壓執(zhí)行元件，在正常服役條件下需承受很大的壓力。液壓油缸的結(jié)構(gòu)簡單，在工程機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。某液壓油缸缸筒在正常服役300 h左右發(fā)生爆缸開裂事故。該油缸缸筒材料為45#鋼，規(guī)格(外徑×壁厚)為280 mm×15 mm，加工工藝為調(diào)質(zhì)→熱軋→冷拔→正火。

為了查明液壓油缸缸筒爆裂的原因，筆者對爆裂后的液壓油缸缸筒進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

爆裂的液壓油缸缸筒宏觀形貌如圖1所示，可見缸筒一側(cè)外表面焊接了一個導(dǎo)向套，導(dǎo)向套焊接位置距離缸筒一側(cè)端頭約120 mm，液壓油缸筒體上有一條縱向的幾乎成直線的穿透性主裂紋，該主裂紋靠近導(dǎo)向套和缸筒的焊接部位，裂紋穿過導(dǎo)向套后開始分叉并變得彎曲，形成數(shù)條次裂紋，裂紋基本貫穿整個長度方向，缸筒左側(cè)端頭至導(dǎo)向套末端區(qū)域裂紋較寬，裂紋張開的縫隙寬度約為2～3 mm，裂紋縫隙繼續(xù)延伸分叉后寬度變窄，油缸缸筒外表面無明顯的塑性變形及鼓脹現(xiàn)象[1]。

圖1 爆裂的液壓油缸缸筒宏觀形貌

用線切割方式沿液壓油缸缸筒斷裂面打開缸筒，觀察主裂紋斷口，其宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：主裂紋斷口平齊，有金屬光澤且呈銀灰色，為典型的脆性斷裂宏觀特征。在導(dǎo)向套和缸筒的焊接熱影響區(qū)有一個半橢圓形的凹面，另一半斷口對應(yīng)位置則表現(xiàn)為凸面，凹面的長度約為4 mm，深度約為1.5 mm。凹面左右兩側(cè)均可見明顯的放射狀條紋，放射狀條紋收斂于該半橢圓形凹面，開裂源區(qū)的宏觀形貌如圖3所示，可推斷該半橢圓形凹面應(yīng)該是液壓油缸缸筒爆裂的裂紋源區(qū)域。觀察發(fā)現(xiàn),該凹面位置正好位于導(dǎo)向套和缸筒焊接的端部邊緣熱影響區(qū)，進(jìn)一步了解后得知該位置正好為焊接的起弧點(diǎn)。

圖2 主裂紋斷口的宏觀形貌

圖3 開裂源區(qū)的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用線切割方式在爆裂液壓油缸缸筒上截取試樣，用直讀光譜儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，由表1可以看出：其化學(xué)成分均滿足GB/T 699—2015 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對45#鋼的要求。

表1 液壓油缸缸筒的化學(xué)成分 %

1.3 力學(xué)性能測試

按照GB/T 699—2015標(biāo)準(zhǔn)對45#鋼的要求，在液壓油缸缸筒上取樣并進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但其斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收能量均明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 液壓油缸缸筒力學(xué)性能測試結(jié)果

1.4 掃描電鏡(SEM)分析

在裂紋源凹坑附近切取試樣，用酒精清洗后在SEM下觀察，結(jié)果如圖4所示，可見凹坑呈月牙形，表面平整，邊緣有明顯的臺階[見圖4a)]，將凹坑內(nèi)部放大后觀察，發(fā)現(xiàn)表面呈細(xì)小的小韌窩特征[見圖4b)]，凹坑以外的斷裂面均有明顯的解理臺階和河流花樣，符合解理脆性斷裂的特征，裂紋源附近未見明顯的疲勞斷裂特征[見圖4c)][2-3]。

圖4 斷口的SEM形貌

1.5 金相檢驗(yàn)

在爆裂液壓油缸缸筒靠近焊接位置的凹坑處附近取樣，將試樣平行于斷裂面的平面磨拋后，在光學(xué)顯微鏡下觀察，按GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》中A法評定夾雜物級別為：硫化物(A)0級，氧化鋁(B)0級，硅酸鹽(C)0級，球狀氧化物(D)0級，材料純凈度較好，未發(fā)現(xiàn)明顯冶金缺陷及非金屬夾雜物聚集現(xiàn)象[4]。

試樣經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液侵蝕后，對全壁厚截面進(jìn)行組織觀察，得到顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體組織，有明顯的偏析，組織不均勻，存在混晶，部分珠光體呈不均勻的大塊狀，部分鐵素體呈針狀，具有魏氏組織特征，組織形態(tài)較差，液壓油缸缸筒的顯微組織如圖5所示。

圖5 液壓油缸缸筒的顯微組織

2 綜合分析

該液壓油缸缸筒的化學(xué)成分符合GB/T 699—2015對45#鋼的要求。力學(xué)性能測試結(jié)果表明：液壓油缸缸筒的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收能量均明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求，因此材料抵抗破壞的能力較低，脆性較強(qiáng)，一旦產(chǎn)生裂紋，裂紋很容易迅速擴(kuò)展[5]。

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明：液壓油缸缸筒的顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體組織，存在明顯的偏析，組織不均勻，部分珠光體呈不均勻的大塊狀，部分鐵素體呈針狀，具有魏氏組織特征，組織形態(tài)較差是導(dǎo)致材料斷后伸長率和沖擊吸收能量偏低的主要原因。

斷口SEM分析結(jié)果表明：液壓油缸缸筒先形成了一條穿透性主裂紋，后分叉形成數(shù)條次裂紋，油缸缸筒外表面無明顯的塑性變形及鼓脹。主裂紋斷口平齊有金屬光澤，斷口上可見收斂于半橢圓形凹面的放射狀條紋，為典型的脆性斷裂宏觀特征[6]。該凹面正好位于導(dǎo)向套和缸筒焊接的起弧點(diǎn)邊緣熱影響區(qū)，焊縫的起弧點(diǎn)在焊接時冷卻速度很快，如果焊接工藝不當(dāng)，則很容易在此位置產(chǎn)生裂紋[7]。

綜上所述，該液壓油缸缸筒爆裂的過程為：首先在導(dǎo)向套和缸筒焊接的起弧點(diǎn)熱影響區(qū)位置產(chǎn)生半橢圓形凹面裂紋，油缸服役時的過沖會帶來較大的工作應(yīng)力，使油缸表面受較大拉應(yīng)力，當(dāng)裂紋穿過熱影響區(qū)后快速擴(kuò)展，導(dǎo)致油缸缸筒爆裂。

3 結(jié)論

(1) 液壓油缸缸筒組織不均勻，部分珠光體呈不均勻的大塊狀，部分鐵素體呈針狀，具有魏氏組織特征，因此材料的斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊韌性較低，脆性較強(qiáng)。

(2) 液壓油缸缸筒的焊接工藝不當(dāng)使焊接起弧點(diǎn)附近出現(xiàn)裂紋，引起應(yīng)力集中，缸筒服役過程中，在較大工作應(yīng)力作用下裂紋快速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致油缸缸筒爆裂。