某工程机械液压缸活塞杆断裂原因

2020-11-11翁圣群霍仕伟

理化检验(物理分册) 2020年10期

翁圣群, 霍仕伟, 宋振

(抚顺中油检测工程有限公司, 抚顺 113000)

活塞杆是支持活塞进行往复运动的连接部件，应用在油缸、气缸运动执行部件中，是一个运动频繁且技术要求高的运动部件。以液压缸为例，其由缸筒、活塞杆(油缸杆)、活塞、端盖几部分组成，活塞杆质量的好坏直接影响整个产品的寿命和可靠性。因此，在工程机械中对活塞杆的质量和加工技术要求较高。某工程机械液压缸活塞杆的制造工艺流程为：外锻→退火→粗车→调质(240～280 HB)→精加工→时效→磨削→氮化→磨削→成品，活塞杆的材料为38CrMoAl钢，该工程机械在使用过程中液压缸活塞杆发生断裂失效。经调查，同批次的活塞杆产品中，在疲劳寿命之前发生断裂失效的产品仅此1件，在产品设计过程中经过疲劳-损伤-断裂机理的计算，其尺寸和强度设计以及材料的选用均满足产品使用要求，在使用过程中也排除了过载运行的情况。发生断裂时，该工程机械累计使用仅200 h。在动载荷循环作用下，活塞杆断裂的原因大致有4种可能：断裂部位的材料中有杂质；加工中螺纹根部残留刀尖的小刀痕；热处理中出现的微裂纹；螺纹根部应力集中部位在不对称循环载荷下因疲劳损伤逐渐形成的小裂纹[1]。

为查明该工程机械液压缸活塞杆发生早期断裂失效的具体原因，笔者对其进行了一系列检验及分析，以期类似事故不再发生。

1 理化检验

1.1 宏观分析

该断裂活塞杆的螺纹外径为68 mm，螺纹内径为63.5 mm。由图1 a)可见，活塞杆表面光滑，断裂于轴颈处圆螺纹的第1扣位置。目视螺纹存在尺寸大小不一的情况，这是由加工精度不准确造成的。断口表面整体较平整，未见明显塑性变形[2]，断口与活塞杆轴线垂直。图1 b)为断口宏观形貌，由于断口锈蚀严重，清洗后再对断口宏观形貌进行观察，可判断该活塞杆的断裂形式为疲劳断裂，疲劳源位于圆周的次表面，氧化色较深。疲劳扩展区与主应力相垂直，扩展区占据了断口表面大部分区域，该区域呈暗灰色，表面细腻平滑。瞬断区有剪切唇，表面较粗糙，其所在区域面积约为断口面积的1/10。此外，断口及附近区域未见机械损伤及腐蚀等缺陷。

图1 断裂活塞杆的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured piston rod: a) whole; b) fracture

1.2 低倍检查

在断口附近取样进行热酸蚀检查，依据GB/T 226—2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》，用50%(体积分数)盐酸水溶液70 ℃热浸蚀15 min，其低倍形貌如图2所示，未发现白点、疏松以及偏析等缺陷。

图2 断裂活塞杆断口低倍形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the fractured piston rod

1.3 化学成分分析

采用BELEC Compact-Port型移动式直读光谱仪对断裂活塞杆进行化学成分分析，结果见表1。可见断裂活塞杆的化学成分符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》对38CrMoAl钢的成分要求。

表1 断裂活塞杆的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the fractured piston rod (mass fraction) %

1.4 金相检验

图3 断裂活塞杆的夹杂物形貌Fig.3 Morphology of inclusions in the fractured piston rod: a) massive inclusions; b) chain inclusions; c) strip sulfide

在断裂活塞杆疲劳源处取纵向试样，经磨制、抛光后，使用GX51型倒置金相显微镜进行观察，其夹杂物形貌如图3所示。由图3可知，断裂活塞杆中非金属夹杂物含量较多，有不变形大块状的夹杂物，有链状夹杂物，有条状硫化物，按GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定——标准评级图显微检验法》进行评级，结果为A类2.5级,B类3.0级,C类1.0级,D类3级。大块状夹杂物超出了GB/T 10561—2015中粗系的尺寸，破坏了基体的连续性，在交变外力的作用下易形成显微裂纹[3]。采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液浸蚀试样，浸蚀后试样的显微组织形貌如图4所示。

图4 断裂活塞杆纵向试样显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of longitudinal sample of the fractured piston rod

在断裂活塞杆疲劳源处取横向试样，经磨制、抛光后，采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液浸蚀试样，使用GX51型倒置金相显微镜进行观察。由图5可见，断裂活塞杆的基体显微组织为回火索氏体+贝氏体+少量铁素体[4-5]，说明断裂活塞杆的热处理工艺合格，其显微组织符合技术要求。

图5 断裂活塞杆横向试样显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of transverse sample of the fractured piston rod

1.5 力学性能试验

采用宏观布氏硬度计对断裂活塞杆进行硬度测试，采用液压万能试验机对断裂活塞杆的拉伸试样进行拉伸试验，采用JBDW-3000型低温冲击试验机对断裂活塞杆的冲击试样进行冲击试验，结果见表2。可见断裂活塞杆的硬度、抗拉强度符合GB/T3077—2015的技术要求，由于夹杂物含量超标，该断裂活塞杆的冲击吸收能量略低于GB/T 3077—2015的技术要求[6]。

表2 断裂活塞杆的力学性能试验结果Tab.2 Mechanical properties test results of the fractured piston rod

2 分析与讨论

由以上理化检验结果可知，断裂活塞杆的化学成分、硬度和抗拉强度符合技术要求，但其基体中夹杂物含量超标，导致冲击吸收能量略有下降。该断裂活塞杆的显微组织中没有过热现象，因此可以排除锻造以及热处理不当造成的活塞杆断裂。

由金相检验结果可知，液压缸活塞杆原材料中夹杂物的含量超标。大块状夹杂物的存在，往往成为疲劳裂纹的发源地，因为非金属夹杂物是以机械混合物的形式分布在钢中，破坏了基体的连续性和均匀性，同时在夹杂物处易产生应力集中而成为疲劳源。

活塞杆在使用时受拉-拉(拉-压)压力的交变载荷[7]，杆外表面的应力高于中心的，并且应力分布不均匀，疲劳源萌生的位置变化较大，其可以在杆的外表面萌生，也可以在杆的内部萌生。由于活塞杆材料本身质量较差，存在较多的非金属夹杂物，并有超过标准尺寸的大块状夹杂物，因此会降低钢的疲劳性能，还会降低钢的韧性和塑性。

在外力作用下，原材料通常沿着夹杂物及其周围金属基体的界面开裂，形成疲劳裂纹；当夹杂物聚集分布，且尺寸较大、数量较多时，会进一步加速疲劳裂纹的扩展。断裂活塞杆的裂纹源附近存在着较多的大尺寸夹杂物，严重降低了活塞杆的疲劳性能，加速了疲劳裂纹的扩展，是活塞杆发生早期断裂的一个主要原因。另外，在裂纹形成阶段，螺纹根部圆角半径的大小对活塞杆的疲劳寿命影响很大，圆角半径增大，其疲劳寿命可大幅提高，圆角半径减小，疲劳寿命缩短[1]。所以，活塞杆螺纹的加工精度可以影响活塞杆的疲劳寿命。