郭海霞,李 慧
(洛阳船舶材料研究所,洛阳 ４７１０２３)
摘 要:铰链梁在使用过程中铰耳发生断裂,采用宏观分析、化学成分分析、力学性能测试、金相检验、断口扫描电镜分析等方法,对铰耳断裂原因进行了分析.结果表明:铰链梁中的残余铝含量和氮含量较高,夏季铸造时冷速过慢,使得一次奥氏体晶界析出 AlN 夹杂物造成晶界脆化,同时晶界上大量的铸态 MnS以及 Al２O３ 类夹杂物也加剧了晶界的脆化,导致铰链梁铰耳在使用过程中发生沿晶脆性断裂.
关键词:铰链梁;贝壳状断口;AlN 夹杂物;残余铝量;沿晶脆性断裂
中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０５Ｇ０３５５Ｇ０４
我国是人造金刚石第一生产大国[１],铰链式六面顶液压机是人造金刚石的生产设备,铰链梁是六面顶中最重要的部件[２].某厂的铰链梁在使用过程中铰耳发生断裂,铰耳是铰链梁的关键部位,承受较大作用力.统计发现半年时间内共有１０件铰链梁的铰耳发生了断裂,而且断裂特征相似,因此急需找到铰链 梁 铰 耳 断 裂 的 原 因. 该 批 铰 链 梁 材 料 为ZG３５Cr１Mo铸 钢,生 产 工 艺 为:中 频 炉 铸 造 → 正火→回火→机加工→调质处理.为了查明铰耳断裂的原因,笔者采用宏观分析、化学成分分析、力学性能测试、金相检验、断口扫描电镜分析等方法对断裂铰耳进行了检验和分析,以避免类似事故的再次发生.
１ 理化检验
１．１ 断口宏观观察
铰链梁铰耳断口低倍形貌如图１所示,可见断口齐平,无塑性变形特征,呈贝壳状断口特征,断口面上晶粒形貌明显,晶粒直径大约为１mm.
１．２ 化学成分分析
在铰链梁铰耳处取样进行化学成分分析,结果见表１,可见其化学成分满足JB/T６４０２－２００６«大型低合金钢铸件»对ZG３５Cr１Mo铸钢成分的要求.
１．３ 力学性能测试
在铰链梁铰耳处取样进行力学性能测试,结果见表２,可 见 铰 链 梁 抗 拉 强 度 和 上 屈 服 强 度 满 足JB/T６４０２－２００６要求,但塑性和韧性偏低,不满足标准要求.
１．４ 金相检验
１．４．１ 低倍组织形貌分析
取与断口面平行的试样面,经磨、抛后酸洗,进行试样表面低倍组织形貌观察,可见试样表面上分布着网状裂纹缺陷及疏松缺陷,如图２a)所示,放大后网状裂纹缺陷形貌如图２b)所示,疏松缺陷形貌如图２c)所示,部分网状裂纹缺陷和疏松缺陷相连接,如图２d)所示.
１．４．２ 显微组织分析
采用光学金相显微镜对抛光态试样进行夹杂物检测,夹杂物形貌见图３a),主要为大颗粒状和长条状,聚集分布,具有明显的铸态特征.能谱分析显示
夹杂物主要为 MnS和 MnS与 Al２O３ 的复合型夹杂物.依据 GB/T８４９３－１９８７«一般工程用铸造碳钢金相»对夹杂物级别进行评定,结果为２级.侵蚀态下对试样显微组织进行观察,主要为回火索氏体＋少量铁素体,如图３b)所示.晶粒度级别为１１．０级,晶粒平均直径约７．９μm,晶粒较细,如图３c)所示.
１．４．３ 网状裂纹缺陷分析
在金相抛光态和侵蚀态的观察中,均未观察到与网状裂纹缺陷相关的特征,考虑到图２d)中疏松缺陷与网状裂纹缺陷是相连的,所以从疏松缺陷周围查找网状裂纹缺陷的实质.
在疏松缺陷周围观察到非常细微且断续分布的网络状线条,如图４a)所示,对应的抛光态形貌如图４b)所示,网络状线条呈灰色断续细线特征,某些部位由于线条太细,在抛光态下不易分辨.观察整个试样,在较高倍率下找到一处比较容易分辨的网络状线条,如图４c)所示,能谱(EDS)显示细线实质是以 AlN 为主的夹杂物,能谱分析结果如图４d)所示.
１．５ 断口扫描电镜及能谱分析
铰链梁铰耳断口形貌如图５a)所示,可见边缘为柱状晶形貌,中间为等轴晶形貌,断口呈铸态沿晶特征,属于典型的贝壳状断口.断口上分布着较多夹杂物,如图５b)所示,能谱分析显示夹杂物主要为MnS以及 MnS与 Al２O３ 的复合型夹杂物,能谱分析结果如图５c),d)所示.从夹杂物尺寸、形貌和能谱分析结果分析,这些夹杂物与图３a)中的夹杂物相对应,而形成网状裂纹缺陷的 AlN 夹杂物很细薄,在断口上不易观察到.
２ 分析与讨论
断裂铰链梁化学成分满足标准要求.力学性能中强度满足标准要求,塑性、韧性偏低,不满足标准要求.肉眼可观察到试样表面上分布着网状裂纹缺陷及疏松缺陷,网状裂纹缺陷的网络直径约１mm.
原始断口、拉伸断口、冲击断口形貌相似,呈铸态沿晶断裂特征,晶粒直径大约为１mm,该沿晶晶粒大小与网状裂纹勾勒出的网络大小相同,因此两者是一致的.分析得知,网状裂纹实质是以 AlN 为主的夹杂物沿晶分布引起的沿晶脆性开裂导致的,另外沿晶断口上分布的较多铸态的 MnS,Al２O３ 夹杂物以及疏松缺陷也割裂了基体的连续性,增加了晶界脆性,加剧了沿晶开裂的倾向.
铰链梁调质处理后的晶粒平均直径约７．９μm,而断口的沿晶晶粒大小约１ mm,两者相差１００倍以上,显然这两种晶粒是不一致的.铸钢在铸造后形成粗大铸态一次奥氏体晶粒,为了细化晶粒和优化组织,会在铸造后进行热处理,经过热处理后,原始奥氏体晶粒消失,得到的是热处理后新形成的细小晶粒.因此,铰链梁的 AlN 夹杂物分布在粗大铸态一次奥氏体晶界上,在奥氏体晶粒凝固时形成,是在铸造过程中形成的,后期热处理无法消除.
AlN 在一次奥氏体晶界上析出,在二维空间是断续细线,在三维空间是晶界界面上的 AlN 薄膜层,这种薄膜状氮化铝与其他弥散分布的夹杂物不同,其形态是厚度为０．０５μm,其他尺寸不大于５μm
的沿晶薄膜.它会减弱晶间结合力,使晶界脆化,增加晶间产生裂纹的倾向,降低材料的塑、韧性.
有研究表明当钢中残余铝含量为 ０．１０８％(质量分 数,下 同)、氮 含 量 为 ０．０１５％ 时,几 乎 形 成１００％(面积分数,下同)的贝壳状断口;当残余铝含量在０．０５％、氮含量为０．０１５％时,贝壳状断口只占断口 总 面 积 的 ５０％ 左 右;而 当 残 余 铝 含 量 为０．０３７％以下、氮含量为０．０１２％以下时,断口则表现为韧性,“贝壳”消失.可见由 AlN 引起的贝壳状断口,钢中铝、氮含量必须满足某一临界值,超过该值时,钢中的 AlN 含量越高,形成贝壳状断口越严重;
低于该值,AlN 的影响就减弱以至消失[３].该铰链梁的残余铝含量为０．１４５％,氮含量为０．０１６％,两种元素含量均超过了形成１００％贝壳状断口的临界条件,铰链梁断口也的确形成了１００％贝壳状断口.
钢中氮含量与钢的冶炼方法有着必然的联系,同 一低合金钢液采用中频炉冶炼,其氮含量高于采余奥氏体将在高应力的作用下产生局部变形,导致残余奥氏体与共晶碳化物的界面上(或非金属夹杂物的尖端)萌生裂纹,这些微小裂纹逐步扩展并相互衔接,最终形成了宏观可见的周向裂纹,在偏心载荷的作用下进一步向内扩展,直至发生弯曲疲劳断裂.
３ 结论及建议
该挤压杆杆身与杆座之间的过渡圆弧误加工成退刀槽而形成应力集中,且挤压杆回火不充分,有较高的残余内应力,显微组织不稳定,偏析组织产生附加组织应力及各向异性,使得退刀槽棱边萌生裂纹,在安装引起的偏心载荷作用下,导致挤压杆在服役初期产生弯曲疲劳断裂.
建议采用高温扩散退火提高挤压杆化学成分及显微组织的均匀性;坯料应进行６面锻造,锻造比要大于５,使枝晶偏析组织细化为纤维状组织,改善碳化物的不均匀分布;严格按加工图纸进行机加工,变截面应有光滑的圆弧过渡,建议将表面粗糙度减小至Ra≤３．２μm;延长回火时间,采用５８０~６００ ℃×１２h３次回火,确保挤压杆的硬度达到设计要求;安
装时将挤压杆对准挤压筒的中心,使挤压杆与挤压筒内孔之间的间隙均匀一致,以提高挤压杆的服役寿命.
4 结论
铰链梁中的残余铝含量和氮含量较高,夏季铸造时冷速过慢,使得一次奥氏体晶界析出氮化铝夹杂物薄膜,造成晶界脆化,晶界上大量的铸态 MnS,Al２O３ 类夹杂物也加剧了晶界的脆化,导致铰链梁铰耳在使用过程中发生沿晶断裂.
建议铰链梁冶炼过程中严格控制残余铝含量和氮含量,并且加快铸件的冷却速度,避免氮化铝薄膜在一次奥氏体晶界上析出.