40Cr钢油缸断裂原因_王晓兰.pdf

：钢油缸断裂原因王晓兰，陆旭霞，尹海涛，季灿南（江苏永钢集团有限公司，张家港 ）摘要：采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜和能谱分析、显微硬度测试等方法分析了 钢油缸断裂的原因。结果表明：油缸断裂主要与硫元素含量超标、硫化物聚集、表面凹坑缺陷及热处理不均匀有关；硫元素易产生“热脆”，聚集的条状夹杂物破坏了基体的连续性，使油缸产生微裂纹，在表面凹坑处产生应力集中，热处理不均匀使组织产生内应力，萌生的裂纹及表面凹坑在以上因素的作用下不断扩展，最终导致油缸断裂。关键词：钢油缸；硫化物；夹杂物；微裂纹；应力集中中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：王晓兰（），女，硕士，工程师，主要从事钢铁材料的物理性能检验及失效分析工作，（，）：，：；理化检验宏观观察某 钢油缸在工作过程中发生断裂，其宏观形貌如图）所示。将断裂面切下并分成块，清洗干净后，其断口宏观形貌如图）所示，可见有多处裂纹源。化学成分分析从 钢油缸上截取一块试样，使用直读光谱仪对其进行化学成分分析，结果如表所示。由表可知：油 缸 硫 元 素 的 质 量 分 数 不 符 合 合金结构钢 的要求，其他元素的质量分数均符合要求。图断裂油缸宏观形貌扫描电镜分析分别截取个断口试样，并放入乙醇中，用超声波清洗干净，再在扫描电镜（）下观察，结果如图所示。由图可知：断口处均存在损伤，表面较光滑，断口特征已不明显；裂纹源为长条形凹坑，凹坑内未发现夹杂物等冶金类缺陷（见图王晓兰，等：钢油缸断裂原因表 钢油缸的化学成分分析结果项目质量分数 实测值 标准值 ）；裂纹源处较平整光滑，裂纹在该阶段扩展较缓慢，断口反复张开与闭合使断口两面相互挤磨留下痕迹（见图）；裂纹源为一形状不规则的小凹坑，凹坑内未发现夹杂物等冶金类缺陷，在裂纹源附近发现一次裂纹和二次裂纹（见图）。图裂纹源处 形貌图裂纹源处 形貌金相检验沿裂纹源处纵向剖开，沿纵截面制备金相试样，编号为；沿裂纹源及裂纹源处分别制备金相试样，编号为，取样位置如图所示。个试样经磨抛后，腐蚀剂选用（体积分数）的硝酸乙醇溶液，在光学显微镜下观察试样的显微组织。图裂纹源处 形貌图金相试样取样位置图为试样裂纹源处纵向截面的微观形貌。由图可知：裂纹源处存在一个凹坑，深度约为，周围脱碳较严重，且脱碳区域存在粗大的魏氏组织，基体组织为回火索氏体贝氏体；另外，整个检验面分布有较多的硫化物，且靠近断口边部的裂纹沿硫化物扩展。王晓兰，等：钢油缸断裂原因图试样裂纹源处纵向截面的微观形貌图为试样裂纹源处纵向截面的微观形貌。由图可知：裂纹源处分布较多硫化物，经腐蚀后发现裂纹源附近组织为回火马氏体，而基体组织为回火索氏体少量铁素体，整个检验面分布着较多硫化物，且靠近断口边部的裂纹沿硫化物扩展。图试样裂纹源处纵向截面的微观形貌图为试样裂纹源处纵向截面的微观形貌。由图可知：裂纹源有一呈倾斜状向基体延伸的凹坑，深度约为，周边无脱碳；整个检验面分布有较多硫化物，有些裂纹沿硫化物扩展，且靠近断口边部的硫化物沿裂纹分布；裂纹源处与基体的组织均为回火屈氏体少量铁素体。能谱分析选取金相试样，对裂纹源处的硫化物进行能谱分析，结果如图所示。显微硬度测试分别对个金相试样的不同区域进行显微硬度测试，结果如表所示。王晓兰，等：钢油缸断裂原因图试样裂纹源处纵向截面的微观形貌图试样裂纹源处硫化物的能谱分析位置及能谱图表显微硬度测试结果试样编号组织区域测试值测试值测试值平均值回火索氏体贝氏体 回火马氏体 回火索氏体少量铁素体 回火屈氏体少量铁素体 从表可知，不同组织的显微硬度差距较大。综合分析通过化学成分分析结果可知，油缸的硫元素质量分数超标，其他元素满足标准要求。硫元素是钢中的有害元素，主要以 的形态存在于钢中，与 形成低熔点化合物；当钢材进行热压力加工时，因熔点过低而过早熔化，导致其开裂，即为“热脆”现象；含硫量越高，热脆现象越严重，因此在炼钢过程中要严格控制硫元素的质量分数。通过宏观观察，发现断口处存在多处裂纹源，分别位于油缸钎杆孔内壁、油缸钎杆孔内壁与销孔内壁相交的尖角处；其中两处裂纹源附近呈扇形，为缓慢扩展留下的痕迹，后呈放射状向外快速扩展，属于典型的疲劳断裂。用扫描电镜观察断口的微观形貌，发现整个断口均被氧化或磨平，无法观察断口特征；其中有两处裂纹源存在凹坑，一处裂纹源较光滑且已被磨平。由金相检验结果可知：整个裂纹源附近检验面的硫化物分布较多，呈条状且靠近断口边部的硫化物沿裂纹分布。硫化物的塑性比基体差，当其聚集分布时，会破坏基体的连续性，在加工油缸的过程中，因夹杂物与基体变形不一致而产生微裂纹；在油缸后期的使用过程中，反复受力使微裂纹不断扩展，直至油缸断裂。因此要调整工艺来严格控制硫王晓兰，等：钢油缸断裂原因化物的形状、数量及分布，使其往越短、越窄、越少及分散状的方向发展。油缸内壁组织不均匀，各部位组织及硬度相差较大，说明油缸整体热处理存在问题。材料在淬火时未完全淬透成马氏体，导致有些区域为贝氏体、铁素体，回火不充分导致有些区域为回火马氏体、回火屈氏体，即未全部得到回火索氏体，故组织状态不满足要求。凹坑、裂纹破坏了表面的连续性，在工作载荷的作用下，材料表面极易产生应力集中而成为裂纹源，裂纹进一步扩展发生断裂；热处理不充分导致组织不理想且不均匀，易产生组织内应力，在受力变形过程中促使裂纹进一步扩展而发生断裂。因此，要严格控制油缸的表面状态及热处理工艺，确保获得较好的表面质量及均匀的回火索氏体组织。结语油缸断裂主要与硫元素质量分数超标、硫化物聚集、表面凹坑缺陷及热处理不均匀有关。硫元素易产生“热脆”现象，降低钢的延展性与韧性，在后期钢材的轧制或锻造过程中萌生出裂纹。聚集的条状夹杂物破坏了基体的连续性，在后期加工变形过程中，因夹杂物与基体变形不一致而产生微裂纹。表面凹坑缺陷易产生应力集中，成为裂纹源。油缸热处理淬火、回火不充分导致整体组织不均匀，各部位硬度相差较大，易产生组织内应力。油缸在使用过程中反复受力，尤其靠近钎杆与销孔内壁部位，萌生的微裂纹或表面凹坑会不断扩展，并在组织内应力的作用下扩展速率加快，直至发生断裂。参考文献：王辉，张勇，梁斌，等 泵轴断裂失效分析石油化工设备技术，（）：，崔约贤，王长利金属断口分析哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社：李杰，邓云哲，何志辉，等 油缸用 钢销轴断裂的原因机械工程材料，（）：朱苗勇 现代冶金学（钢铁冶金卷）北京：冶金工业出版社：黄镇，顾铁 钙处理非调质钢的夹杂物控制 现代冶金，（）：郑浩，刘丽华，张中武，等热加工对硫化物及氧化物夹杂 的 影 响 材 料 导 报，（）：何玉东 改质 钢中硫化物的工艺研究特钢技术，（）：甘美露，张强，王书强，等油缸活塞杆断裂原因分析理化检验（物理分册），（）：谢文婷，祁红璋，任蓓蕾，等某风电机组行星齿轮断齿原因理化检验（物理分册），（）：陆慧，孙明正船用柴油机拉缸故障失效分析理化检验（物理分册），（）：櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥（上接第 页）参考文献：孙奇，张立新，韦廷立，等 回火温度对 钢冲击性能的影响理化检验（物理分册），（）：孙小岚，杨堃 模锻件耐蚀性改进工艺电镀与涂饰，（）：徐杏杏，何军刚，胡锴，等 不锈钢冲击性能不合格原因探讨理化检验（物理分册），（）：黄春峰 航空 钢叶片的热加工工艺与力学性能航空精密制造技术，（）：陆山，陈倩，陈军 航空发动机主轴疲劳寿命预测方法航空动力学报，（）：王通北，陈美英军用航空发动机主轴疲劳寿命的试验验证航空发动机，（）：，