前懸掛油缸活塞桿斷裂原因

張 強, 王書強, 周 濤

[國家船舶材料質量監督檢驗中心(江蘇), 江陰 214434]

礦用卡車是礦產資源運輸的重要交通工具，其通常在工況較差的野外服役。前懸掛是礦用卡車的重要組成部件，有支撐整車、緩沖、減震和受力傳遞的作用[1]。某重型礦用卡車在正常服役500 h后發生前懸掛油缸活塞桿斷裂事故。該油缸活塞桿材料為27SiMn鋼，規格為 320 mm×48 mm(外徑×壁厚)，主要加工工藝為：整體模鍛件鍛后正火→下料→粗車→調質熱處理→半精車→表面感應淬火→精車→表面鍍鉻→拋光。

為查明該活塞桿斷裂的原因，筆者對斷裂的活塞桿部件進行理化檢驗，對其斷裂原因進行了分析，以防止該類事故再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

前懸掛油缸活塞桿斷口的宏觀形貌如圖1所示，根據斷口裂紋擴展花樣分析[2]，斷口基本呈橫向斷裂，裂紋的走向是由活塞桿一側外表面向另一側擴展，裂紋源區斷面平滑，呈弧形擴展，具有明顯的疲勞斷裂特征，疲勞源位于活塞桿外側近邊緣處。活塞桿斷裂面最外側約1.6 mm寬度區域，斷口形貌與疲勞裂紋擴展平面的特征明顯不同，并可見明顯的臺階。斷口上疲勞裂紋擴展區面積較小且表面形貌較為平坦，最后瞬間斷裂區面積較大且較為粗糙，呈人字條紋，說明最后斷裂時所受的工作應力較大[3]。

圖1 活塞桿斷口宏觀形貌

在斷口附近切割試樣，縱向(垂直于斷裂面)磨拋后在體式顯微鏡下觀察，發現感應淬火層內有兩條平行于斷口的裂紋，裂紋較直，尾端尖細，長度均約為1.6 mm(見圖2)。

圖2 斷口附近縱向形貌

1.2 化學成分分析

利用線切割方式在斷裂油缸活塞桿上截取試樣，用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可以看出:試樣的化學成分均滿足GB/T 3077—2015《合金結構鋼》對27SiMn鋼的要求。

表1 油缸活塞桿的化學成分分析結果 %

1.3 力學性能測試

按照GB/T 3077—2015中對27SiMn鋼的要求和廠方技術要求，對試樣進行拉伸和沖擊試驗，結果如表2所示，由表2可知：試樣的抗拉強度、屈服強度均低于GB/T 3077—2015標準和廠方技術要求，沖擊吸收能量滿足GB/T 3077—2015的要求。

表2 油缸活塞桿的力學性能測試結果

1.4 硬度及硬化層深度測試

在活塞桿的表面感應淬火區及內部裂紋擴展區分別取樣進行洛氏硬度測試。測試結果為：活塞桿斷口表面感應淬火區硬度為40～43 HRC。離開表面感應淬火區硬度迅速降低，裂紋擴展區硬度為21～25 HRC，活塞桿心部硬度約為19～22 HRC。根據設計要求，活塞桿表面淬硬層硬度應不小于50 HRC，心部硬度應為20～25 HRC。活塞桿表面感應淬火區硬度及心部硬度均低于設計要求。

取活塞桿橫截面試樣，經磨拋后根據GB/T 5617—2005《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》測量其淬火有效硬化層深度，硬度測試位置間隔為0.1 mm。GB/T 5617—2005要求表面的最低硬度為550 HV，極限硬度為440 HV，測試試樣的有效硬化層深度為1.69 mm，依據該前懸掛油缸活塞桿制造工藝要求，淬硬層應達到2～3 mm，測試結果低于GB/T 5617—2005標準要求(見圖3)。

圖3 活塞桿有效硬化層深度測量曲線

1.5 斷口微觀形貌分析

在表面裂紋源區附近取斷口試樣，經汽油+丙酮清洗后，用掃描電鏡(SEM)對斷口進行觀察，其微觀形貌如圖4所示。由圖4可以看出:試樣最外層為表面感應淬火裂紋區，該區域斷口宏觀形貌較為平整，與疲勞裂紋擴展區有明顯的臺階；疲勞裂紋擴展區可見明顯的疲勞輝紋，屬于準解理斷裂[4-5]；瞬間斷裂區的微觀形貌主要是解理及準解理脆性斷口，表明材料的脆性較大[6]。

圖4 活塞桿斷口SEM形貌

1.6 金相檢驗

在靠近斷口附近取金相試樣，垂直斷裂面磨拋后，在光學顯微鏡下觀察材料從表面至心部夾雜物的情況，按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》中A法評定試樣夾雜物級別為：A類硫化物0級，B類氧化鋁0級，C類硅酸鹽0級，D類球狀氧化物0.5級，材料純凈度較好，未發現明顯冶金缺陷及非金屬夾雜物聚集現象[7]。試樣經4%(體積分數)硝酸酒精溶液侵蝕后，從表面至心部觀察活塞桿剖面顯微組織形貌(見圖5)。由圖5可知：試樣的表面組織為細針馬氏體組織，表面可見向心部延伸的縱向裂紋，深度約為1.68 mm，與硬度法測得的淬火有效硬化層深度結果基本一致，裂紋兩側無明顯脫碳現象，表面鍍鉻層擠壓損傷嚴重，呈不均勻分布的斷續狀；過渡區組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體組織，鐵素體呈長條狀和少量針狀；心部基體組織為珠光體+鐵素體，鐵素體沿晶界呈網狀分布[8]。

圖5 活塞桿剖面顯微組織形貌

2 綜合分析

從金相檢驗結果可以看出：該前懸掛油缸活塞桿除表面感應淬火區(寬度不大于2 mm)外的基體組織主要為珠光體+網狀鐵素體，該組織會大大降低材料的抗拉強度和塑性，容易引起變形及斷裂[9]。該活塞桿壁厚只有48 mm，正常調質熱處理完全可以使整個截面淬透，回火后得到回火索氏體組織，而該活塞桿表面除感應淬火區以外均為珠光體+鐵素體組織，判斷該油缸活塞桿缺少應有的調質熱處理工序，而是直接以熱加工正火態組織進行后續的表面感應淬火強化處理[10]。按照相關技術文件規定，該活塞桿表面感應淬火前應進行調質熱處理，從而獲得回火索氏體組織，一方面可以使活塞桿獲得足夠的抗拉強度和良好的韌性，另一方面回火索氏體組織可以為后續的表面感應淬火提供良好的組織準備[11]。

在斷口附近切割垂直于斷裂面的試樣，磨拋后觀察試樣，發現表面至少有2條垂直于外表面但平行于疲勞裂紋擴展面的裂紋。裂紋開始于表面，貫穿感應淬火硬化層，終止于硬化層與基體組織交界處，裂紋較直，尾端尖細，長度約為1.6 mm，與硬度法測得的淬火有效硬化層深度結果基本一致。腐蝕后觀察裂紋兩側無明顯的脫碳現象，從而可以判斷該裂紋是在表面感應淬火過程中產生的，在活塞桿服役過程中該裂紋引起了后續疲勞裂紋的形成和擴展。

3 結論

對該前懸掛油缸活塞桿進行熱處理時，整體正火處理后未進行調質處理就直接進行了表面感應淬火處理，導致該活塞桿的抗拉強度和韌性較低，感應淬火時產生了感應淬火裂紋。油缸活塞桿在服役過程中受拉壓作用力的往復運動，在惡劣的服役環境和較大的疲勞載荷作用下，活塞桿感應淬火裂紋尖端開始形成疲勞裂紋并向內擴展，當疲勞裂紋擴展到一定程度時，活塞桿所受載荷超過其承載力，最終導致活塞桿瞬間斷裂。