摘 要:某工程机械油缸活塞杆在使用初期即发生一次性脆性断裂,通过宏观分析、化学成分分 析、硬度测试、断口分析及金相检验对活塞杆断裂失效的原因进行了分析.结果表明:热处理工艺 不当使该活塞杆中出现网状铁素体和魏氏组织,引起了晶界脆化,加之试样中硫化物类夹杂含量较 高,导致活塞杆承受交变载荷的能力下降,最终发生脆性断裂. 

关键词:活塞杆;脆性断裂;夹杂物;感应淬火;魏氏组织 

中图分类号:TH１４２．１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７３３Ｇ０４ 

活塞杆是油缸中传递动力的重要组件之一,其 质量的好坏直接关系到油缸使用的安全性[１].活塞 杆服役过程中受力复杂,一旦发生断裂,很容易造成 严重事故.某工程机械油缸活塞杆采用４５钢为原 材料,直径为９０mm,其主要加工及热处理工艺为: 粗车→调质→粗车→表面淬火→粗磨→摩擦焊→精 磨→抛光→镀铬.该活塞杆在使用仅数百小时后即 发生断裂,远低于正常使用寿命.为了找出该活塞 杆断裂的原因,笔者对其进行了一系列理化检验和 分析. 

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析 

对活塞杆进行宏观形貌观察,发现该活塞杆完 全断裂,断口位于杆体侧,接近摩擦焊缝,未发生明 显塑性变形,为脆性断裂;活塞杆表面镀铬层光亮均 匀,未见明显磕碰或其他缺陷,见图１a).断口表面 粗糙,心部低,两侧高,心部存在一条向内延伸的裂 纹,断口表面最高处距离摩擦焊缝约５cm,最低处 距离摩擦焊缝约２cm;断口具有明显的台阶特征, 裂纹扩展区呈放射线特征,见图１b). 

１．２ 化学成分分析 

采用线切割法在断裂活塞杆截面处取样,通过 ARL３４６０型直读光谱仪对其进行化学成分分析,结 果见表 １.可 见 其 元 素 含 量 均 满 足 GB/T６９９－ ２０１５«优质碳素结构钢»对４５钢的要求.

１．３ 硬度测试 

在活塞杆的表面感应淬火区及内部裂纹扩展区 分别取样进行洛氏硬度测试.测得感应淬火区硬度 值为 ４０~４３ HRC;裂 纹 扩 展 区 硬 度 值 为 ２１~ ２５HRC;活塞杆心部硬度值为１９~２２HRC.设计 要求活塞杆表面淬硬层硬度应不小于５０HRC,心部硬度应在２０~２５HRC之间.可见活塞杆表面感 应淬火区及心部的硬度均低于设计要求.

１．４ 断口分析 

分别在断口表面裂纹源区和裂纹扩展区取样, 经汽油清除油污和丙酮超声波清洗后利用扫描电镜 (SEM)对试样进行微观形貌观察.裂纹源区外表 面的薄层为镀层,断口表面平整,呈现接近金属光泽 的白亮色,平直断口的宽度约３mm,放大后可见断 口呈结晶状,为典型的沿晶断裂,见图２.裂纹扩展 区存在河流花样,为解理断裂特征,且密集分布着沿 不同方向开裂的二次裂纹,局部可见细小的坑状形 貌,说明材料的脆性较高[２],见图３. 

１．５ 金相检验 

利用线切割在断口表面和心部沿活塞杆径向分 别取样进行非金属夹杂物检测和金相检验.表面裂 纹源区和裂纹扩展区均有明显的硫化物夹杂,局部 夹杂物呈串链状分布,见图４.按照 GB/T１０５６１－ ２００５«钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显 微检 验 法»中 的 A 法,评 定 得 出 夹 杂 物 级 别 为: A１．５,B０．５,C０．５,D０．５. 

将试样用体积分数为４％的硝酸酒精溶液浸蚀后, 在金相显微镜下观察其显微组织形貌.活塞杆表面感 应 淬火层组织主要为马氏体和网状、半网状分布的白色铁素体组织,组织较粗大,晶粒度为４．５级,低于标 准规定的活塞杆晶粒度不小于５．５级的要求,见图５. 

活塞杆心部组织主要为回火索氏体和网状白色 铁素体,部分铁素体呈针状向晶内生长;另外还有魏 氏组织特征,该组织较粗大,一般为过热所致,晶粒 度为４．５级,低于标准规定的活塞杆晶粒度不小于 ５．５级的要求,见图６.魏氏组织的存在会显著降低 材料的力学性能和晶界结合力[３],使其断裂韧度大 幅度降低,导致裂纹在较大外力作用下迅速失稳扩 展,最终造成材料断裂失效. 

１．６ 镀层厚度检测 

垂直于镀层平面截取试样,经镶嵌、磨抛后置于 光学显微镜下,按照 GB/T６４６２－２００５«金属和氧 化物覆盖层 厚度测量 显微镜法»沿显微断面选取 ５点测 量 镀 层 厚 度,测 量 结 果 为 ２４．８,２５．６,２５．１, ２５．２,２５．９ μm,试 样 表 面 镀 铬 层 平 均 厚 度 为 ２５．３μm,符合镀铬层厚度大于２０．０μm 的要求.

２ 分析与讨论 

该断裂活塞杆的化学成分和表面镀层厚度均符 合要求;表面感应淬火区硬度及心部硬度则低于设 计要求;该活塞杆中存在较高含量的硫化物夹杂,评 定结果约为 A１．５级,夹杂物对基体有割裂作用.

该活塞杆在工作过程中做往复运动,主要承受轴向拉压作用力和一定的弯曲应力,由断口形貌及 受力状态综合判断,裂纹起源于活塞杆受力较大一 侧的表面,向心部扩展并延伸至另一侧表面,最终导 致断裂[４Ｇ５]. 

活塞杆采用的是调质 ＋ 表面淬火的热处理工 艺,正常情况下,表面组织应为细针马氏体.采用调 质处理后,其心部组织应为细小、均匀的回火索氏 体.细针马氏体具有高强度、高硬度、良好的耐磨性 和耐冲击性,回火索氏体具有较好的综合力学性能, 能满足活塞杆的使用要求.而该活塞杆表面感应淬 火区的组织为马氏体＋网状、半网状铁素体,晶粒较 粗大;心部组织为回火索氏体＋网状铁素体,部分铁 素体呈魏氏组织特征,组织较粗大.网状铁素体和 魏氏组织的存在使活塞杆脆性增大,加之其硬度值 较低,在较大载荷作用下容易发生脆性断裂[６]. 

粗大的奥氏体晶粒和一定的冷却速度是魏氏组 织形成的主要原因.对于亚共析钢,当加热温度略 高于AC３或经较长时间的保温时,会发生珠光体向 奥氏体的转变,自由铁素体消失,组织全部转变为较 细的奥氏体晶粒,若进一步提高温度或延长保温时 间,奥氏体晶粒将粗化.当奥氏体晶粒比较粗大,而 冷却速度 不 适 当 时,就 会 在 晶 粒 内 部 产 生 魏 氏 组 织[７].网状铁素体的产生通常是由热处理时冷却速 度过慢所致. 

该活塞杆生产过程中,锻造、正火与淬火都需要 将材料加热到 AC３ 温度以上,因此这３个环节都会 对材料的组织产生影响,其中锻造加工时的温度最 高,最有可能出现过热组织.始锻或终锻温度过高, 必然会造成奥氏体晶粒粗大,这为魏氏组织的产生 创造了条件.若锻后冷速较快,便会产生严重的魏 氏组织,采用正火热处理是无法将其消除的,随后的 淬火和高温回火过程中,粗大的奥氏体晶粒将遗传 下来,致使组织中的魏氏组织也被保留下来[８].由上述分析可知,在调质热处理过程中不可能出现晶 粒粗大的奥氏体而形成魏氏组织,因此魏氏组织只 能是在锻造过程中出现的[９].

３ 结论 

该活塞杆的失效模式属于脆性断裂,裂纹起源 于活塞杆表面.热处理工艺不当使得活塞杆组织不 良,表面和心部均有明显的网状铁素体和魏氏组织, 严重降低了晶界结合力,导致力学性能和断裂韧度 大幅度降低.同时活塞杆的表面和心部硬度偏低, 硫化物类夹杂含量偏高,进一步降低了活塞杆抵抗 外加载荷的能力,导致其在正常服役情况下,承受交 变应力的能力下降而发生脆性断裂.

参考文献: 

[１] 李毅,朱鹏霄,陈波．油缸活塞杆断裂失效分析[J]．理 化检验(物理分册),２０１５,５１(１１):８２４Ｇ８２６． 

[２] HULLD．Fractography:Observing,Measuringand Interpreting Fracture Surface Topography[M]． Cambridge:CambridgeUniversityPress,１９９９． [３] 周仲荣,LEO V．微动磨损[M]．北京:科学出版社, ２００２． 

[４] 吴佳峻．１８CrNiMo７Ｇ６钢齿轮轴开裂失效分析[J]．理 化检验(物理分册),２０１７,５３(９):６７１Ｇ６７４． 

[５] 胡伟勇,王峰,张泽南,等．３Cr２W８V 合金钢轴承套圈 用热挤压心棒断裂失效分析[J]．理化检验(物理分 册),２０１８,５４(７):５２３Ｇ５２５． 

[６] 马永恒．减震器活塞杆断裂失效分析[J]．理化检验 (物理分册),２０１３,４９(增刊２):３６１Ｇ３６３． 

[７] 杨星红,王荣．电梯驱动轴断裂原因分析[J]．理化检 验(物理分册),２０１４,５０(４):２９２Ｇ２９５． 

[８] 上海市机械制造工艺研究所．金相分析技术[M]．上 海:上海科学技术文献出版社,１９８７． 

[９] 朱大滨,王志文,潘辑娣,等．压缩机活塞杆断裂失效 分析[J]．理化检验(物理分册),２００６,４２(３):１４０Ｇ１４３．

<文章来源     (pp:733-736)>