分享：前悬挂油缸活塞杆断裂原因

　　某矿用卡车前悬挂油缸活塞杆在服役时发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、力学 性能测试、断口分析以及金相检验等方法对该活塞杆断裂原因做多元化的分析。根据结果得出:该活塞杆热处 理工艺不当导致表明产生感应淬火裂纹,在恶劣的服役环境下,活塞杆表面裂纹尖端开始形成疲劳 裂纹并向内扩展。当疲劳裂纹扩展到某些特定的程度时,活塞杆所受载荷超过其承载力,最后导致其瞬间 断裂。

　　矿用卡车是矿产资源运输的重要交通工具,其 通常在工况较差的野外服役。前悬挂是矿用卡车的 重要组成部件,有支撑整车、缓冲、减震和受力传递 的作用[1]。某重型矿用卡车在正常服役500h后发 生前悬挂油缸活塞杆断裂事故。该油缸活塞杆材料 为27SiMn钢,规格为 320mm×48mm(外径×壁 厚),主要加工工艺为:整体模锻件锻后正火→下料 →粗车→调质热处理→半精车→表面感应淬火→精 车→表面镀铬→抛光。 为查明该活塞杆断裂的原因,笔者对断裂的活 塞杆部件进行理化检验,对其断裂原因进行了分析, 以防止该类事故再次发生。

　　前悬挂油缸活塞杆断口的宏观形貌如图1所 示,根据断口裂纹扩展花样分析[2],断口基本呈横 向断裂,裂纹 的 走 向 是 由 活 塞 杆 一 侧 外 表 面 向 另 一侧扩展,裂 纹 源 区 断 面 平 滑,呈 弧 形 扩 展,具 有 明显的疲劳 断 裂 特 征,疲 劳 源 位 于 活 塞 杆 外 侧 近 边缘处。活塞杆断裂 面 最 外 侧 约 1.6 mm 宽 度 区 域,断口形貌 与 疲 劳 裂 纹 扩 展 平 面 的 特 征 明 显 不 同,并可见 明 显 的 台 阶。断 口 上 疲 劳 裂 纹 扩 展 区 面积较小且 表 面 形 貌 较 为 平 坦,最 后 瞬 间 断 裂 区 面积较大且较为粗糙,呈人字条纹,说明最后断裂 时所受的工作应力较大[3]。

　　在断口附近切割试样,纵向(垂直于断裂面)磨 抛后在体式显微镜下观察,发现感应淬火层内有两条平行于断口的裂纹,裂纹较直,尾端尖细,长度均 约为1.6mm(见图2)。

　　利用线切割方式在断裂油缸活塞杆上截取试 样,用直读光谱仪对试样进行化学成分分析,结果如 表1所示。由表1能够准确的看出:试样的化学成分均满 足 GB/T3077—2015 《合金结构钢》对 27SiMn钢 的要求。

　　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。测试结果为:活塞杆 断口表面感应淬火区硬度为40~43HRC。离开表 面感应淬 火 区 硬 度 迅 速 降 低,裂 纹 扩 展 区 硬 度 为 21~25HRC,活塞杆心部硬度约为19~22 HRC。 根据设计 要 求,活 塞 杆 表 面 淬 硬 层 硬 度 应 不 小 于 50HRC,心部硬度应为20~25HRC。活塞杆表面 感应淬火区硬度及心部硬度均低于设计的基本要求。

　　取活 塞 杆 横 截 面 试 样,经 磨 抛 后 根 据 GB/T 5617—2005《钢的感应淬火或火焰淬火后有效硬化 层深度的测定》测量其淬火有效硬化层深度,硬度测 试位置间隔为0.1mm。GB/T5617—2005要求表面 的最低硬度为550HV,极限硬度为440HV,测试试 样的有效硬化层深度为1.69mm,依据该前悬挂油缸 活塞杆制造工艺技术要求,淬硬层应达到2~3mm,测试 结果低于 GB/T5617—2005标准要求(见图3)。

　　在表面裂纹源区附近取断口试样,经汽油+丙 酮清洗后,用扫描电镜(SEM)对断口进行观察,其 微观形貌如图4所示。由图4能够准确的看出:试样最外 层为表面感应淬火裂纹区,该区域断口宏观形貌较 为平整,与疲劳裂纹扩展区有明显的台阶;疲劳裂纹 扩展区可见明显的疲劳辉纹,属于准解理断裂[4-5] ;瞬间断裂区的微观形貌主要是解理及准解理脆性断 口,表明材料的脆性较大[6]。

　　在靠近断口附近取金相试样,垂直断裂面磨抛 后,在光学显微镜下观察材料从表面至心部夹杂物 的情况,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 A 法评定 试样夹杂物级别为:A 类硫化物0级,B 类氧化铝 0级,C类硅酸盐0级,D类球状氧化物0.5级,材料 纯净度较好,未发现明显冶金缺陷及非金属夹杂物 聚集现象[7]。试样经4%(体积分数)硝酸酒精溶液 侵蚀后,从表面至心部观察活塞杆剖面显微组织形 貌(见图5)。由图5可知:试样的表面组织为细针 马氏体组织,表面可见向心部延伸的纵向裂纹,深度 约为1.68mm,与硬度法测得的淬火有效硬化层深 度结果基本一致,裂纹两侧无明显脱碳现象,表面镀 铬层挤压损伤严重,呈不均匀分布的断续状;过渡区 组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体组织,铁素体 呈长条状和少量针状;心部基体组织为珠光体+铁 素体,铁素体沿晶界呈网状分布[8]。

　　从金相检验结果能够准确的看出:该前悬挂油缸活塞 杆除表面感应淬火区(宽度不大于2mm)外的基体 组织主要为珠光体+网状铁素体,该组织会大大降 低材料的抗拉强度和塑性,会造成变形及断裂[9]。 该活塞杆壁厚只有48mm,正常调质热处理完全可 以使整个截面淬透,回火后得到回火索氏体组织,而 该活塞杆表面除感应淬火区以外均为珠光体+铁素 体组织,判断该油缸活塞杆缺少应有的调质热处理工 序,而是直接以热加工正火态组织进行后续的表面感 应淬火强化处理[10]。按照有关技术文件规定,该活 塞杆表面感应淬火前应进行调质热处理,从而获得回 火索氏体组织,一方面能够使活塞杆获得足够的抗拉 强度和良好的韧性,另一方面回火索氏体组织可以为 后续的表面感应淬火提供良好的组织准备[11]。

　　在断口附近切割垂直于断裂面的试样,磨抛后观 察试样,发现表面至少有2条垂直于外表面但平行于疲劳裂纹扩展面的裂纹。裂纹开始于表面,贯穿感应 淬火硬化层,终止于硬化层与基体组织交界处,裂纹 较直,尾端尖细,长度约为1.6mm,与硬度法测得的 淬火有效硬化层深度结果基本一致。腐蚀后观察裂 纹两侧无明显的脱碳现象,从而能够判断该裂纹是在 表面感应淬火过程中产生的,在活塞杆服役过程中该 裂纹引起了后续疲劳裂纹的形成和扩展。

　　对该前悬挂油缸活塞杆进行热处理时,整体正 火处理后未进行调质处理就直接进行了表面感应淬 火处理,导致该活塞杆的抗拉强度和韧性较低,感应 淬火时产生了感应淬火裂纹。油缸活塞杆在服役过 程中受拉压作用力的往复运动,在恶劣的服役环境 和较大的疲劳载荷作用下,活塞杆感应淬火裂纹尖 端开始形成疲劳裂纹并向内扩展,当疲劳裂纹扩展 到某些特定的程度时,活塞杆所受载荷超过其承载力,最终 导致活塞杆瞬间断裂。

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