油缸活塞杆表面修复后导致的疲劳断裂

汪伟新

（江西省德兴铜矿采矿场，江西 德兴 334224）

油缸活塞杆表面修复后导致的疲劳断裂

Fatigue fracture after surface repair for oil cylinder piston rod

汪伟新

（江西省德兴铜矿采矿场，江西 德兴 334224）

活塞杆经表面修复后发生断裂的失效形式分析，指出了失效形式为早期疲劳断裂，并有多源超负荷和强烈缺口敏感性的特点。表面修复层脆性状态缺少足够的塑性，修复层容易疲劳损伤，高硬度的修复层材料增加了疲劳缺口敏感性；修复层与活塞杆焊缝及热影响区产生的缺陷会缩短疲劳断裂纹萌发阶段，这几点是使修复后的活塞杆发生早期疲劳断裂的主要原因。因此，在进行活塞杆表面修复的同时，必须设法消除导致早期疲劳断裂的因素，才能有效的延长修复后活塞杆的使用寿命。

活塞杆；表面修复；外载破损；疲劳断裂；残余应力

工程机械的油缸活塞杆，由于其工况的原因常常造成表面划伤或碰伤等不同程度的损伤，修理人员一般采用的修理方法是对活塞杆损伤部位进行表面金属堆焊、磨削工艺，电刷镀硬金属工艺对其表面进行修复、强化。通过分析我们发现活塞杆表面修复后产生早期疲劳断裂有以下特点：断裂属于早期疲劳断裂；早期疲劳断裂呈多源性断裂现象较为普遍；修复层与活塞杆母材交界处缺口裂纹明显。

究其原因：一是活塞杆焊接修复后产生残余应力,在磨削中发生表面烧伤等情况；二是修复层脆性状态，硬度高塑性低使总应力峰值难以得到释放；三是存在修复层与活塞杆母材的交界处的缺陷。

1 活塞杆进行焊接修复会产生残余应力

活塞杆使用的材料是45#钢或40Cr低合金钢，对于受拉伸和压缩的活塞杆件来说，活塞杆的拉伸强度和表面硬度，如果低于技术条件要求,抗疲劳性能就会降低,这是活塞杆早期疲劳断裂的主要原因。

由于焊缝的强度通常比母材要高，当外在引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和达到屈服点口，这一部分截面丧失了进一步承受外载的能力，并且改变了有效截面积的分布，降低了受压杆件的稳定性。

2 修复层脆性状态容易导致结构早期破坏

由于活塞杆焊接过程中受热不均匀，杆件会产生焊接热应力并伴塑性变形，焊缝及热影响区内强度、硬度也随之发生改变。

虽然这样可以使修复层的表面硬度提高，对活塞杆的抗击打以及耐磨性是有益的。但是有残余应力集中的焊接结构，拉伸残余应力和工作应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，总应力峰值达到屈服点后，该区应力不再增加而产生塑性变形，当材料的塑性耗尽时，就会造成破坏，导致结构早期破坏，出现疲劳断裂。

3 缺口敏感性对修复层的影响

疲劳断裂是金属结构失效的主要形式，活塞杆的疲劳断裂是在修复层附近（修复层与母材交界处）即焊缝趾端与根部，焊缝趾端与根部残余应力相对集中，塑性变形能力降低，当应力集中系数较高时，会使焊缝趾端与根部产生局部材质塑性应变。这样活塞杆表面修复后就有两个问题。

一是母材与焊缝趾端交界处。当焊缝残余应力的叠加使总应力峰值增大，疲劳断裂发生在焊缝的薄弱环节或母材与焊缝趾端交界处。

二是母材与焊缝根部位置，当焊缝残余应力的叠加使总应力峰值增大，疲劳断裂发生在焊缝的薄弱环节或母材与焊缝根部。修复层脆性材料硬度高塑性低的特点使应力峰值无法得到释放，发源于焊缝趾端与根部的疲劳断口，最后断裂区在断口的中部，疲劳线形状由于缺口敏感性促使边缘扩展加速而改变，凸起部分则因扩展过程的摩擦和挤压作用与扩展方向成相反方向。

4 修复层的界面缺陷

修复层的普遍缺陷主要是由于焊接时未焊透，若不能保证焊透就会有气孔、裂纹等缺陷。

一是疲劳强度无法达到或接近母材强度。

二是会产生孔隙，孔隙尺度一般在0.001~0.01 mm之间，属于微观范围。

三是粗加工后进行调质处理再精加工，对其表面进行高频淬火，使其表面硬度达到HRC45—55范围内，堆焊造成的热裂纹和伴随产生的材料塑性变形能力下降。

四是电镀时在阴极上析出的氢渗入镀件而引起的缺陷。钢材电镀时都会产生氢脆风险，电镀表面上吸附的氢以游离形式向活塞杆材料内部渗入并积聚，导致活塞杆材料的脆性。内部积聚的氢具可逆性也会反向析出，使镀层脱层、裂纹，导致疲劳裂纹在界面上形成，这种裂纹就成了疲劳源。

5 结束语

从上述的分析中得知，造成修复后活塞杆早期疲劳断裂的实质原因：一是焊缝及其热影响区集中残余应力所致，当焊接残余应力与承载的工作应力叠加，其数值超过材料的屈服极限时，工件就会在焊缝附近产生焊接变形，断裂等现象；二是修复层界面缺陷。为了有效的延长活塞杆修复后的使用寿命，在满足耐磨性和高强度要求的同时，必须设法消除导致早期疲劳断裂的因素。

因此，除了在修复工艺上尽可能减少缺陷外，最有效的方法是在堆焊过程中采用金属冷熔焊技术和保温处理的方法消除残余拉应力，使表层得到残余压应力。

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TH243

1009-797X(2015)24-0167-02

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.068

汪伟新（1969-），男，大专学历，机械助理工程师，主要从事工程机械设备技术管理。

2015-12-26