刹车装置承压杯开裂原因分析

2014-11-28何玉怀刘新灵陶春虎

失效分析与预防 2014年5期

赵凯，何玉怀，刘新灵，陶春虎

(1.北京航空材料研究院中航工业失效分析中心，北京 100095；2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095)

0 引言

30CrMnSiA 钢是使用最广泛的调质钢之一，在淬火高温回火状态下具有较高的强度和良好的韧性［1］。30CrMnSiA 钢被广泛应用于各种工业设施中，尤其是在压力容器、航空航天、核电站等领域。由于承受比较恶劣的环境，钢材及其构件的断裂不仅容易发生而且会造成严重的后果;因此，国内外对钢材的断裂研究比较多，也取得了很多的成果［2-7］。

刹车装置上的承压杯通常被认为只承受来自于刹车片的压应力，但是考虑到承压杯的结构，在受到来自于刹车片的压应力时承压杯的某些位置也会受到拉应力的作用。再加上承压杯的表面处理状态及使用环境，若对刹车装置承压杯的受力认识不清楚，则很容易导致故障的发生。

承压杯所用材料为30CrMnSiA 钢，热处理工艺为:(890±5)℃保温35 min，油淬，(500±5)℃保温65 min 回火，空冷。热处理后承压杯硬度要求为HRC 36～42。承压杯表面进行镀镉处理(厚度为8～12 μm)，然后进行除氢处理，除氢工艺为(190±5)℃保温3～5 h。承压杯表面涂一层铝色有机硅耐热漆(厚度为20～30 μm)。

刹车壳体所用的材料为TC11 钛合金，有12个承压杯安装孔，承压杯通过铆钉安装在刹车壳体上，铆钉与安装孔为间隙配合。在刹车过程中，承压杯支撑刹车片，上表面受到压应力的作用。在刹车过程中刹车片摩擦产生的热会传递给承压杯，承压杯要经历400 ℃以上的温度。本批次承压杯在使用过程中共有7 个发生开裂。

本研究对承压杯外观进行了观察，对承压杯断口进行了宏微观观察、能谱分析、金相组织检查、氢含量检测以及有限元仿真模拟计算，确定了承压杯的开裂性质，并分析了承压杯的失效原因;提出了改进建议，为预防此类故障的再次发生提供借鉴。

1 试验过程与结果

1.1 外观观察

承压杯在刹车壳体上呈周向分布，一周分布12 个(图1)。承压杯上表面的耐热漆层已经不完整，呈灰色，有磨损痕迹;下表面的耐热漆层相对完整，漆层呈金黄色。承压杯裂纹从上表面根部倒圆角处起裂，但尚未完全裂透(图2)。

图1 失效件外观Fig.1 Macro appearance of the failed part

1.2 断口宏观观察

将承压杯断口打开后用丙酮超声清洗，然后放在OLYMPUS 体视显微镜下进行观察，故障件断口表面呈暗黄色，断口较为平整，存在二次裂纹。断面可见源区，源区呈线源特征，可以观察到放射棱线，方向由上表面指向下表面(图3)。

图2 承压杯形貌Fig.2 Appearance of the bearing cup

图3 断口形貌Fig.3 Appearance of the fractures

1.3 断口微观观察

在JSM5600LV 扫描电镜下观察断口微观形貌。断口较为平整，可见明显的二次裂纹(图4a)。源区附近表面覆盖一层物质(图4b、图4c)。只有部分覆盖物少的区域可观察到沿晶脆性断裂特征(图4d、图4e)。另外在部分区域还可观察到解理断裂特征(图4f)，瞬断区为韧窝(图4g)。

图4 断口微观形貌Fig.4 Micro appearance of the fracture surface

1.4 能谱检测分析

对承压杯断口化学成分进行分析，测试结果见表1。承压杯断口大部分区域存在覆盖物。由测试结果可知，承压杯断口覆盖物为Cd 且被氧化，人工打开区则未发现Cd 和O。

表1 能谱分析结果(质量分数/%)Table 1 EDS analysis results of the fractures (mass fraction/%)

1.5 氢含量检测

从开裂的承压杯上切取试样，对试样进行氢含量检测。结果表明，开裂的承压杯氢含量为0.2 mg/L。

1.6 金相检查

从承压杯上沿轴向方向制取金相试样，磨制抛光后用硝酸酒精腐蚀观察。承压杯金相组织均为回火索氏体+铁素体，未见冶金缺陷(图5)。

1.7 硬度检查

从承压杯上沿轴向方向制取硬度试样，磨抛后进行维氏硬度测试，并参照GB/T 1172—1999《金属硬度检测技术手册》换算成洛氏硬度，结果见表2。由表2 结果可知硬度值存在波动，这可能与硬度测试的位置索氏体含量偏少而铁素体含量偏多有关。但承压杯的硬度平均值符合技术要求(HRC 36～42)。

图5 承压杯金相组织Fig.5 Microstructure of the bearing cup

表2 硬度测试结果Table 2 Hardness of the failed part

1.8 仿真模拟

在ABAQUS 有限元软件中对承压杯进行建模并划分网格。网格采用六面体单元，节点数18 703，单元数15 753，单元类型为C3D8R。承压杯下端全约束，上表面施加20 MPa 压应力(工作载荷)，最后提交运算。从计算结果可以明显看出，承压杯的最大拉应力位置在根部导圆角处(图6)。

图6 有限元计算结果Fig.6 Results of simulation

1.9 模拟试验

为复现故障，仿照承压杯的工作状态对一完好的承压杯进行了模拟试验。将此承压杯固定在一夹具上，承压杯下端固定，上端受到顶杆的作用力(图7)。然后将此套装置放在箱式炉中进行保温，保温温度为400 ℃，每隔一段时间取出试验件空冷后再放回箱式炉中，如此反复3 h 后承压杯即发生断裂。

对承压杯试验件进行宏观观察，试验件断裂位置、裂纹走向与故障件类似，断裂也起源于根部导圆角处(图8)。在JSM5600LV 扫描电镜下观察试验件断口微观形貌，断口微观可见明显的沿晶脆性断裂特征(图9)。对断口进行能谱成分分析，试验件断口Cd 含量也较高，质量分数约为27%。

图7 模拟试验示意图Fig.7 Schematic diagram of the test

图8 试验件外观形貌Fig.8 Appearance of the tested bearing cup

图9 沿晶断裂特征Fig.9 Intercrystalline cracking feature

2 分析与讨论

对承压杯进行了金相组织检查，其组织均正常，未发现有冶金缺陷。另外对承压杯进行了硬度检查也未发现明显异常，因此承压杯的开裂与材质无关。

承压杯断口表面Cd 含量较多，而且沿晶+解理脆性断裂特征明显。如果承压杯是过载开裂然后熔化的Cd 流到断口上，则断口应该全为韧窝特征而不会出现沿晶特征，因此可以排除承压杯是过载开裂的可能性。

承压杯所用材料为30CrMnSiA 钢，其热处理工艺中回火温度为(500±5)℃，保温时间为65 min。此温度区间不在30CrMnSiA 钢的回火脆敏感区间。承压杯的热处理工艺也是较为成熟的工艺制度，因此基本可以排除承压杯回火脆开裂的可能。

对承压杯故障件及试验件也进行了氢含量的检测，检测结果表明承压杯的氢含量并不高，不足以引起氢脆。而且承压杯要经历400 ℃以上温度，温度高于340 ℃就有助于氢的逃逸［8］。因此也可以排除承压杯氢脆开裂可能性。

镉脆的三要素为:1)存在Cd 元素;2)适当的拉应力;3)较高的温度［9］。首先承压杯表面经过镀镉处理。承压杯是刹车装置的一个零件，在刹车过程中由于刹车片的作用而受到应力的作用。通过有限元仿真计算得出的结果可知承压杯上表面的倒圆角处受到的拉应力最大。从承压杯的结构上分析，承压杯的截面类似于悬臂梁，当其上表面受到向下的压应力时，其上表面根部受到最大的拉应力。此外，根部倒圆角处易产生应力集中［10］。从承压杯故障件断口宏观形貌看，其放射棱线也起源于上表面的倒圆角处。刹车过程中会产生热量，测试传递到承压杯的温度应在400 ℃以上，已经明显超过Cd 的熔化温度(320.9 ℃)。当工作环境温度达到230 ℃左右时(达到低熔点金属熔化温度的3/4，文献［11］认为达到其熔化温度的2/3)，Cd 的活性大大增强，开始沿晶界向材料内部扩散，环境温度为镉脆的发生创造了条件。对承压杯断口观察可知，承压杯故障件断口为沿晶+解理脆性断裂，且断口表面Cd 含量较高;因此，可以确定承压杯开裂的性质为镉脆。

Cd 元素、拉应力、温度三要素均存在，但部分承压杯未开裂。这应该是因为承压杯的尺寸存在差异导致在刹车过程中各个承压杯的受力大小不一。部分承压杯受到的力较小，而镉脆的发生也需要一定的应力值，即当拉应力超过一定的门槛值后承压杯才会开裂，因此部分受力小的承压杯未开裂。对完好的承压杯进行了镉脆复现试验，承压杯试验件断口宏微观形貌与故障件相一致且试验件断口表面Cd 元素含量也较高。

综上可以确定承压杯的开裂性质为镉脆。承压杯所处的工作环境会经历较高的温度，在刹车过程中承压杯上表面导圆角处受到较大的拉应力，而承压杯表面采用了不适当的表面镀镉工艺，在这些因素的综合作用下承压杯发生镉脆开裂。根据承压杯的实际工况环境，承压杯应采用其它表面处理工艺代替镀镉，如表面镀锌、发蓝工艺等。