宗國(guó)慶,楊文慶,劉曉蓉,田光榮,葛東偉,張瑞鋒

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014030)

用于某礦用車上的NTE200電動(dòng)輪后懸缸支座,材料牌號(hào)為Q345E,由于工作環(huán)境較為惡劣,車輛在礦山運(yùn)行27900 h左右后,該后懸缸支座發(fā)生橫向斷裂。為了分析NTE200后懸缸支座斷裂的原因,界定事故責(zé)任,對(duì)斷裂后懸缸支座進(jìn)行了理化檢測(cè)與分析,確定了后懸缸支座存在的癥結(jié),對(duì)事故形成做出了科學(xué)合理的解釋,并提出改進(jìn)措施。

1 宏觀觀察及取樣

1.1 宏觀觀察

客戶提供的車輛工作狀態(tài)和后懸缸支座斷裂位置見(jiàn)圖1、圖2。斷口清洗后觀察斷裂面宏觀形貌見(jiàn)圖3,斷面呈灰褐色,表面覆蓋一層很厚的氧化產(chǎn)物,斷口由斷裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬間斷裂區(qū)三部分組成。斷裂起源于零件外表面,該區(qū)域較光滑,呈半橢圓形;擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)貝殼狀條紋;瞬斷區(qū)斷口為結(jié)晶狀,并且有扭壓坑,瞬斷區(qū)宏觀形貌見(jiàn)圖4。斷口具有典型的疲勞斷裂特征[1]。

圖1 車輛工作狀態(tài)Fig.1 Working status of vehicle

圖2 后懸缸支座斷裂位置Fig.2 Fracture position of rear suspension cylinder support

圖3 后懸缸支座斷裂面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture surface of rear suspension cylinder support

圖4 瞬斷區(qū)宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of the instantaneous break zone

圖5 取樣位置Fig.5 Sampling Location

1.2 試驗(yàn)取樣

在斷裂后懸缸支座切取化學(xué)成分分析試樣、金相試樣和力學(xué)性能檢測(cè)試樣,取樣位置見(jiàn)圖3。其中金相試樣三塊,進(jìn)行掃描電鏡觀察、裂紋分析、非金屬夾雜物檢測(cè)、顯微組織觀察和晶粒度檢測(cè)。

2 理化檢測(cè)

2.1 SEM觀察及能譜分析

NTE200后懸缸支座斷裂試樣經(jīng)超聲波震蕩儀清洗后,采用FEG-450型掃描電子顯微鏡對(duì)試樣的斷裂面進(jìn)行微觀形貌觀察。斷裂源區(qū)由于覆蓋氧化產(chǎn)物無(wú)法觀察其斷口形貌,見(jiàn)圖6;擴(kuò)展區(qū)可觀察到疲勞條紋,見(jiàn)圖7;瞬斷區(qū)斷口形貌為解理,見(jiàn)圖8。

圖6 斷裂源區(qū)微觀形貌Fig.6 Micro morphology of the fracture source region

圖7 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌Fig.7 Micro morphology of the expansion zone

圖8 瞬斷區(qū)微觀形貌Fig.8 Micro morphology of the instantaneous break zone

對(duì)斷裂面進(jìn)行能譜半定量成分分析,其成分含有C、O、Al、Si、Mn、Fe元素,見(jiàn)圖9。

圖9 試樣能譜圖Fig.9 Energy spectrum of sample

2.2 金相分析

垂直斷裂源縱向剖開(kāi)進(jìn)行磨制,采用金相顯微鏡觀察試樣的金相組織。在斷裂源區(qū)未發(fā)現(xiàn)缺陷,斷裂面上分布有凹坑和撕裂裂紋,凹坑最大深度為0.50 mm,形貌見(jiàn)圖10(a);擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)斷裂面上均分布有凹坑和撕裂裂紋,形貌見(jiàn)圖10(b)、10(c)和10(d);斷裂源周圍未發(fā)現(xiàn)有夾雜物聚集現(xiàn)象。

(a)斷裂源區(qū)凹坑缺陷;(b)擴(kuò)展區(qū)凹坑和裂紋;(c)瞬斷區(qū)凹坑和裂紋;(d)瞬斷區(qū)撕裂裂紋圖10 試樣金相組織(a)pit defects in the fracture source area; (b)pits and cracks in the expansion zone;(c)pits and cracks in the instantaneous break zone; (d)tearing crack in the instantaneous break zoneFig.10 Microstructure of the sample

垂直后懸缸支座外表面進(jìn)行磨制,采用金相顯微鏡觀察試樣形貌。在靠近斷裂源區(qū)外表面的部分區(qū)域分布有凹坑缺陷,凹坑最大深度為0.46 mm,形貌見(jiàn)圖11。

圖11 零件外表面凹坑缺陷Fig.11 Pitting defect on outer surface of parts

試樣經(jīng)過(guò)4%硝酸酒精溶液腐蝕后,觀察后懸缸支座所有斷裂面及凹坑周圍發(fā)現(xiàn)均無(wú)脫碳現(xiàn)象,形貌見(jiàn)圖12?？拷鼣嗔言磪^(qū)側(cè)的外表面存在過(guò)熱現(xiàn)象,顯微組織為魏氏組織,過(guò)熱組織深度為距離外表面17 mm,形貌見(jiàn)圖13。心部和靠近瞬斷區(qū)顯微組織均為正常正火組織鐵素體+珠光體,但組織存在偏析現(xiàn)象,形貌見(jiàn)圖14。瞬斷區(qū)裂紋周圍分布有受扭壓形成的流線,形貌見(jiàn)圖15。

圖12 斷裂面無(wú)脫碳現(xiàn)象Fig.12 No decarbonization on the frature surface

圖13 過(guò)熱組織形貌Fig.13 Morphology of superheated structure

圖14 顯微組織存在偏析Fig.14 The segregation in microstructure

圖15 瞬斷區(qū)受扭壓形成的流線Fig.15 Streamline formed by torsional pressure in instantaneous break zone

2.3 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂后懸缸支座試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Results of chemical composition analysis(mass fraction,%)

2.4 力學(xué)性能檢測(cè)

在后懸缸支座靠近斷裂源處取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果表2。

表2 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 2 Test results of mechanical properties

3 結(jié)果分析

金相分析結(jié)果表明,斷裂后懸缸支座外表面存在凹坑缺陷,這些缺陷極易誘發(fā)疲勞源的生成。一般而言,對(duì)于金屬零件,絕大部分的疲勞斷裂均起始于零件表面或次表面,零件表面的完整性對(duì)其疲勞性能有著決定性的影響。這種缺口的存在會(huì)引發(fā)應(yīng)力集中,疲勞微裂紋最易在此處萌生,這是零件疲勞斷裂最常見(jiàn)的原因[2]。

斷口觀察結(jié)果顯示,斷裂后懸缸支座斷口上疲勞擴(kuò)展充分,宏觀斷口平坦光滑,說(shuō)明其疲勞過(guò)程是比較長(zhǎng)的。疲勞斷裂是一種由疲勞裂紋的產(chǎn)生→疲勞裂紋亞臨界擴(kuò)展→疲勞裂紋擴(kuò)展,當(dāng)最大循環(huán)載荷在剩余截面上產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到該材料的缺口拉伸強(qiáng)度或裂紋長(zhǎng)度達(dá)到斷裂韌性允許的臨界值時(shí),就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)斷裂。疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展往往是在較低的交變應(yīng)力下緩慢進(jìn)行的[3]。

后懸缸支座外表面有一層17 mm的過(guò)熱組織,鋼過(guò)熱后在力學(xué)性能上的反映就是強(qiáng)度降低的同時(shí),塑性與沖擊韌性也顯著降低,并且后者的降低往往更為的明顯[4]。力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果中,沖擊功低于技術(shù)要求證明了這一點(diǎn)?；w組織符合正火后的組織狀態(tài),但存在偏析現(xiàn)象。偏析是金屬在冷凝過(guò)程中,由于各組元先后凝固順序不同而形成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。偏析會(huì)造成材料性能不均勻,偏析的產(chǎn)生在晶界處弱化了晶界的結(jié)合強(qiáng)度,對(duì)零件裂紋擴(kuò)展起到推動(dòng)作用。

由于后懸缸支座是礦用車的連接部件,實(shí)際受力較為復(fù)雜,工作中承受剪切應(yīng)力和運(yùn)行過(guò)程中受交變彎曲應(yīng)力作用。車輛在礦山惡劣環(huán)境下工作,由于車輛運(yùn)行時(shí)的振動(dòng),后懸缸支座在所受上述應(yīng)力的基礎(chǔ)上,還將疊加由振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力。

綜上所述,由于后懸缸支座外表面存在凹坑缺陷和局部過(guò)熱組織缺陷,缺陷的存在引發(fā)應(yīng)力集中,誘發(fā)疲勞源的生成,在后續(xù)的運(yùn)行中沿凹坑缺陷和局部過(guò)熱的薄弱處形成微裂紋,在后懸缸支座每受到一次外力作用時(shí),即沿著裂紋形成一條疲勞條紋。由于后懸缸支座多次受到循環(huán)外力作用,致使裂紋逐步擴(kuò)展延伸直至斷裂。

4 結(jié)論與建議

斷裂后懸缸支座的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中Q345E材料的規(guī)定要求。斷裂后懸缸支座的抗拉強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中Q345E材料的規(guī)定要求,但其沖擊值低于標(biāo)準(zhǔn)要求。NTE200后懸缸支座斷裂是由于零件表面存在凹坑缺陷,誘發(fā)了疲勞源的生成;而且零件局部存在過(guò)熱組織,降低了承載性能,在惡劣的路況下,過(guò)大的沖擊載荷,致使零件發(fā)生疲勞斷裂。

為了避免此類事故的發(fā)生,提出幾點(diǎn)建議：1)嚴(yán)格控制熱處理工藝的執(zhí)行;2)對(duì)零件每道工序嚴(yán)格把關(guān),杜絕有缺陷的產(chǎn)品投入使用;3)鋼的偏析與鋼的成分、鋼中氣體、雜質(zhì)含量、澆注和冷卻條件等有關(guān),主要從冶煉、澆注等方面采取措施,特別是減少鋼中的雜質(zhì)及氣體。