晁耀杰，李宏佳，劉雪松

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

輪緣潤滑器安裝座失效原因分析

晁耀杰，李宏佳，劉雪松

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

輪緣潤滑器安裝座故檢過程中，滲透檢測發(fā)現(xiàn)T型焊縫處出現(xiàn)宏觀裂紋，該結(jié)構(gòu)材料為Q345鋼。通過外觀檢測、裂紋宏觀形貌觀察、裂紋斷口形貌觀察、焊接微觀組織觀察、沖擊斷口觀察等試驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的開裂原因進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：焊接接頭微觀組織良好，無明顯焊接缺陷，可排除由于組織原因引起構(gòu)件失效的可能；對(duì)比裂紋斷口形貌與焊縫金屬?zèng)_擊斷口形貌，兩者存在較大差異，可排除由于承受較大沖擊載荷開裂的可能；裂紋微觀斷口存在大量疲勞條帶，表明結(jié)構(gòu)為疲勞開裂；綜合考慮裂紋啟裂位置的受力情況，可以判定疲勞開裂的原因是承受載荷部位的應(yīng)力集中問題。

輪緣潤滑器；安裝座；失效原因；疲勞開裂；應(yīng)力集中

0 引言

Q345鋼是一種廣泛應(yīng)用的低碳(質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%)低合金結(jié)構(gòu)鋼，是一種性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、軌道車輛、船舶重工、壓力容器和石油重工等行業(yè)[1-4]。該鋼具備良好的綜合力學(xué)性能、塑形和焊接性，因而在軌道車輛行業(yè)常被用來做輪緣潤滑器安裝座、電器固定座等結(jié)構(gòu)連接件[5-7]。

在高速列車故檢過程中，通過滲透檢測發(fā)現(xiàn)輪緣潤滑器安裝座的T型焊接接頭附近存在一個(gè)貫穿的宏觀裂紋，裂紋位于焊接接頭的焊趾位置。故障統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該型號(hào)的輪緣潤滑器安裝座在服役過程中，存在類似的裂紋失效形式。

目前國內(nèi)外已發(fā)表的失效案例大多針對(duì)非焊接結(jié)構(gòu)，對(duì)引起焊接結(jié)構(gòu)失效的微觀組織形態(tài)、缺陷類型、應(yīng)力集中狀態(tài)和失效斷口的微觀特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的歸納分析不夠。本研究針對(duì)焊接位置開裂的輪緣潤滑器安裝座，采用滲透檢測法和X射線法對(duì)失效位置進(jìn)行精確定位，采用掃描電鏡對(duì)失效斷口進(jìn)行宏觀形貌觀察和微觀形貌觀察，采用金相顯微鏡對(duì)焊接接頭的微觀組織進(jìn)行觀察，同時(shí)將沖擊斷口同失效斷口進(jìn)行對(duì)比分析。輪緣潤滑器在我國新型高速列車等軌道交通工具上有著廣泛的應(yīng)用，本研究從多個(gè)角度對(duì)輪緣潤滑器安裝座焊接位置失效原因進(jìn)行全面地分析論證，為改善焊接構(gòu)件的服役安全性提供重要依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀檢測與裂紋宏觀形貌觀察

圖1為輪緣潤滑器安裝座的宏觀照片，滲透檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的T型焊縫上有一條宏觀裂紋，裂紋位置如圖1方框所示。從構(gòu)件的左側(cè)觀察，裂紋長度約為20 mm；從構(gòu)件的右側(cè)觀察，裂紋長度約為15 mm；從構(gòu)件的中間觀察，裂紋位于焊趾處，長度約為13 mm。該裂紋始終位于焊縫中。裂紋附近的宏觀形貌如圖2所示。

圖1 構(gòu)件整體宏觀形貌

圖2 構(gòu)件裂紋附近宏觀形貌

1.2 裂紋宏觀斷口形貌

在圖1方框標(biāo)記位置，參考X射線透射檢測結(jié)果，采用電火花切割法裂紋附近的區(qū)域進(jìn)行切割，并將裂紋斷口完整地打開。

斷口的宏觀形貌如圖3所示。整個(gè)斷口非常平整，由于裂紋形成之后構(gòu)件又使用了一段時(shí)間，斷口表面布滿各種顏色的鐵銹、油污。將斷面標(biāo)記為1～3#區(qū)域，觀察發(fā)現(xiàn)：1、2#區(qū)域存在著以1#區(qū)域焊趾位置為中心且向四周發(fā)散的放射條紋，這些條紋整體呈現(xiàn)為一簇弧狀線條；裂紋在3#區(qū)域終止，裂紋的末端呈現(xiàn)明顯的圓弧。

考慮試樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)放射條紋的匯聚方向，判斷裂紋的擴(kuò)展方向?yàn)閺暮钢洪_始向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展，綜合該T型焊接接頭服役條件下的受力情況，可以確定裂紋源的位置在1#區(qū)域的焊趾處，止于3#區(qū)域的邊緣，裂紋擴(kuò)展過程中經(jīng)歷的區(qū)域依次為1→2→3。

1.3 微觀斷口形貌

裂紋源區(qū)斷面掃描電鏡觀察結(jié)果如圖4所示。裂紋源區(qū)附著大量白色發(fā)亮的不導(dǎo)電物質(zhì)，為裂紋斷口形成后的腐蝕產(chǎn)物，在斷口上并未觀察到明顯的焊接氣孔、焊接夾雜、脆性相和焊接燒損等缺陷。

圖3 斷口宏觀形貌

圖4 裂紋源區(qū)微觀形貌

通過掃描電鏡觀察裂紋擴(kuò)展區(qū)域的微觀斷口形貌特征可見：該區(qū)域附著有大量的不導(dǎo)電物質(zhì)，在掃描電鏡下呈現(xiàn)為白色發(fā)亮物質(zhì)；裂紋擴(kuò)展過程中可以觀察到大量的放射條紋；在放射條紋之間可以觀察到大量的疲勞條帶，且疲勞條帶方向垂直于放射條紋(圖5)。

圖5 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

1.4 金相觀察

圖6為輪緣潤滑器安裝座失效部位附近焊接接頭金相觀察結(jié)果。焊縫區(qū)域的組織為細(xì)小的鐵素體和馬氏體。原奧氏體晶界會(huì)析出白色晶界先共析鐵素體，在晶界先共析鐵素體的環(huán)繞區(qū)域內(nèi)的組織是針狀鐵素體，這些針狀鐵素體是由原奧氏體晶粒的內(nèi)部組織生成，焊縫區(qū)組織是晶界先共析鐵素體和針狀鐵素體，即晶界先共析F+針狀F。在熔合區(qū)，靠近焊縫的一側(cè)晶粒非常細(xì)小，這些細(xì)小的組織是由母材中的原奧氏體晶粒重結(jié)晶生成的，組織是細(xì)小的鐵素體和馬氏體(細(xì)小的F+M)。焊縫區(qū)、熔合區(qū)和母材區(qū)，均未見焊接氣孔、焊接夾雜、焊接燒損、未熔合等明顯的焊接缺陷，焊接質(zhì)量良好。

1.5 夏比沖擊試驗(yàn)與斷口觀察

按照?qǐng)D7a加工標(biāo)準(zhǔn)沖擊試件，根據(jù)GB/T 229—2007對(duì)焊接接頭的熔合區(qū)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。沖擊斷口的宏觀形貌如圖7c所示。根據(jù)斷口形貌的差別，將整個(gè)斷口分成A、B、C三個(gè)區(qū)域：A為預(yù)制的缺口區(qū)域；B由放射狀的“小楞”組成，并匯聚于靠近預(yù)制缺口的表面，指示出裂紋擴(kuò)展方向；C呈現(xiàn)比較規(guī)則鋸齒狀的剪切脊。

沖擊斷口的微觀形貌如圖8所示。整個(gè)斷口均為韌窩形貌，在韌窩內(nèi)可看到第二相粒子。

2 分析與討論

為了判斷結(jié)構(gòu)失效是否由焊接缺陷引起，通過光學(xué)顯微鏡對(duì)開裂部位附近截取的焊接接頭進(jìn)行金相觀察，未見焊接氣孔、焊接夾雜、焊接燒損、未熔合等明顯的焊接缺陷，可判斷輪緣潤滑器安裝座的開裂與焊縫質(zhì)量無關(guān)。

為了判定該安裝座是否由于劇烈沖擊載荷引起的開裂失效，對(duì)焊接接頭熔合區(qū)的沖擊斷口進(jìn)行觀察。斷口的宏觀形貌由放射區(qū)和剪切唇組成，掃描電鏡下的微觀形貌主要由韌窩形貌構(gòu)成。

圖6 焊接接頭微觀組織

圖7 沖擊試件及斷口宏觀形貌

圖8 沖擊斷口微觀形貌

沖擊斷口的宏微觀形貌與裂紋斷口存在很大差異，可判斷輪緣潤滑器安裝座的開裂并非由于承受沖擊載荷而形成。

觀察斷口宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，斷面上分布著以焊趾部位為中心，向四周擴(kuò)散的放射條紋。在掃描電鏡下觀察，裂紋擴(kuò)展區(qū)存在大量垂直于放射條紋的疲勞條帶。以上為疲勞的典型特征，因此該安裝座裂紋性質(zhì)為疲勞開裂。

查閱資料[10]可知，在承受橫向與縱向力情況下，失效焊接接頭附近的應(yīng)力分布如圖9所示。觀察該構(gòu)件的承力情況，可以看出在輪緣潤滑器安裝座服役過程中，失效的焊趾部位承受著循環(huán)的三軸應(yīng)力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和受力分析，可以判定該輪緣潤滑器安裝座的失效模式為應(yīng)力集中部位萌生的疲勞開裂[11-15]?；谳喚墲櫥靼惭b座開裂的原因，可以通過改善焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少應(yīng)力集中，提高構(gòu)件的綜合性能，延長服役壽命。

圖9 應(yīng)力分布情況

3 結(jié)論

1)焊接接頭焊接組織良好，無明顯的焊接缺陷，排除了由于焊接缺陷原因引起構(gòu)件失效的可能性；焊縫部位沖擊試驗(yàn)斷口與失效斷口微觀形貌存在明顯差異，可排除輪緣潤滑器安裝座由于承受沖擊載荷而開裂失效的可能性。

2)輪緣潤滑器安裝座的失效模式為應(yīng)力集中部位啟裂的疲勞開裂。

3)基于輪緣潤滑器安裝座開裂的原因，可以從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，減少應(yīng)力集中，提高構(gòu)件的綜合性能，延長服役壽命。

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Failure Analysis of Mounting Base of Flange Lubricator

CHAO Yao-jie，LI Hong-jia，LIU Xue-song

(StateKeyLaboratoryofWelding&Joining,HarbinInstitudeofTechnology,Harbin150001,China)

A macro crack was found in T weld joint via liquid penetrating test during the failure checking process of the flange lubricator mounting base. The structure is made of Q345 steel. In order to find the cause of failure, some tests were performed, including appearance inspection of failure structure, macrocrack observation, fracture surface observation, microstructure examination, and impact fracture observation. The testing results indicate that the microstructure of welding joints have no weld defects. Obvious differences were found between the fracture morphology of the failed structure and the impact fracture morphology of weld zone. Fatigue striations at the fracture show that the failure mode is fatigue fracture. Considering the stress distribution of weld structure, it can be assumed that the cracking cause is stress concentration.

flange lubricator; mounting base; failure cause; fatigue cracking; stress concentration

2016年6月28日

2016年9月3日

晁耀杰(1988年-)，男，碩士，工程師，主要從事航空材料焊接與結(jié)構(gòu)失效分析等方面的研究。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.05.011

1673-6214(2016)05-0322-05