Q235B钢下连杆断裂失效分析

2024-04-07李娜马志华蔡作新黄家路

金属加工(热加工) 2024年3期

李娜，马志华，蔡作新，黄家路

1.金丰（中国）机械工业有限公司浙江宁波 315221

2.宁波均普智能制造股份有限公司浙江宁波 315040

1 序言

连杆是机械设备中非常重要的传动机构，具有机械动力传动和传动方向的转换等功能，如果发生断裂失效会带来严重的财产损失和安全事故[1-3]。Q235B钢下连杆失效形式主要有疲劳断裂、过量变形等模式[4-6]，通常是由产品材料本身的力学性能或材料组织不均匀等因素导致的[7-12]，而且其断裂方式通常是瞬时发生的。因此，通过下连杆的失效模式分析，找到失效模式的原因是非常有必要的。

2 失效分析

金丰（中国）机械工业有限公司Q235B钢下连杆在使用过程中发生断裂，零件加工成形后无热处理工艺，设计使用寿命20年，但在使用3年后下连杆发生失效断裂。失效样件和断裂位置如图1所示。通过分析样品的化学成分、硬度、冲击与拉伸性能、金相组织及断口形貌等，找出下连杆断裂的原因。

图1 失效样件及断裂位置

3 结果分析与讨论

3.1 化学成分分析

化学成分试样取自于样件断裂位置附近，采用OES和C/S仪进行化学成分分析，结果见表1。从表1可看出，失效样wC高达0.5%，明显高于GB/T 700—2006《碳素结构钢》中Q235B钢wC≤0.2%的要求。

表1 样件化学成分分析（质量分数）（%）

3.2 硬度检测

硬度检测试样取自于失效件，采用显微维氏硬度计进行硬度检测，按GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》规定执行，硬度检测结果见表2。从表2可看出，失效件心部硬度平均值为217.3HV，而失效件裂纹所在侧面的表面硬度不均匀，不同位置的硬度分别为386HV、463HV和554HV，均远高于心部硬度。

表2 硬度试验结果（HV）

3.3 冲击试验

冲击试样取自失效样品裂纹附近，测量室温（20 ℃）下的夏比V 型缺口，试片尺寸55mm×10mm×10mm，根据标准GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行冲击试验，测试结果见表3，结果显示失效件的冲击吸收能量仅为7.2J，而标准GB/T 700—2006中要求Q235B的冲击吸收能量≥27J，失效件的冲击吸收能量远低于标准要求，说明失效件的冲击韧度很差。

表3 冲击试验结果（J）

3.4 拉伸试验

在失效件上取样，按GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》规定执行，试验结果见表4。从表4可看出，失效件抗拉强度平均值为650MPa，超过GB/T 700—2006中Q235B钢抗拉强度范围，而断后伸长率平均值为6.2%，低于标准所规定的≥21%的要求。

表4 拉伸试验结果

3.5 宏观金相组织检测

在失效件裂纹附件制取低倍宏观试样，按GB/T 226—2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》规定执行，检测结果如图2所示。从图2可看出，试样表面存在明显的枝晶组织，沿着枝晶生长方向发现裂纹，而且心部存在缩松、疏松缺陷。

图2 样品低倍宏观形貌

对失效件近表面和心部进行宏观低倍检测，结果如图3～图6所示。结果显示，失效件表面存在厚度约235.8μm的硬化层（见图3），心部存在宽度1658.3μm、深度417.8μm的裂纹缺陷（见图4），并且心部存在缩孔缺陷（见图5、图6）。

图3 近表面宏观低倍金相组织

图4 心部裂纹

图5 心部宏观金相组织

图6 心部缩孔缺陷

3.6 微观金相组织检测

在靠近和远离缺陷区分别制取金相试样，通过镶嵌、研磨、腐蚀等，采用金相显微镜进行检测，结果如图7～图9所示。从图7～图9可看出，近表面脆硬层金相组织主要由马氏体＋珠光体＋贝氏体组成的不均匀组织。心部远离缺陷区的金相组织中铁素体含量多，珠光体含量少；而心部靠近缺陷区的金相组织中铁素体含量少，珠光体含量多，金相组织存在一定的不均匀性。

图7 近表面微观金相组织

图8 心部远离缺陷区微观金相组织

图9 心部靠近缺陷区域微观金相组织

3.7 宏观断口检测

下连杆失效件宏观断口如图10、图11所示。从图10、图11可看出，失效件宏观断口表面平整，无撕裂特征，裂纹在表面形成后向心部扩展，并且裂纹扩展方向与断裂表面呈近乎垂直的关系；A区断口表面相对平滑，其形成与表面脆硬的硬化层有关，B区断口表面颗粒状较明显。

图10 裂纹样品

图11 断口宏观形貌

3.8 微观断口检测

将下连杆失效件的裂纹打开，采用显微镜和扫描电镜对裂纹断口金相观察，结果如图12、图13所示。结果显示，A区和B区均呈现解理断裂特性[13-15]，为脆性断裂。

图12 A区断口形貌

图13 B区断口形貌

4 结果和讨论

由化学成分分析结果可知，失效件中的wC高达0.5%，高于GB/T 700—2006中关于Q235B钢的要求，根据失效件的硬度检测结果，失效件心部硬度为217.3HV，而失效件裂纹所在侧的硬度均值为467.7HV，远高于心部硬度。

由拉伸试验结果可知，失效件抗拉强度高达650MPa，高于GB/T 7000—2006中对于Q235B钢的要求，而断后伸长率仅为6.0%，远低于标准要求，说明该失效件抗拉强度过高，塑性较差。同时冲击试验结果表明，失效件冲击吸收能量仅为7.2J，远低于GB/T 7000—2006中对Q235B钢的要求，说明该失效件冲击韧度很差。

综合以上力学性能分析结果，失效件呈现强度过高、塑性和韧性很差的现象。

由宏观检测结果显示，失效件沿枝晶生长方向存在裂纹，心部存在较严重的疏松和裂纹，近表面存在深度约2351.8μm的淬火硬化层。而且微观检测结果显示，失效件心部组织不均匀，靠近缺陷区域与远离缺陷区域相比，铁素体含量少，珠光体含量多。这与硬度检测结果呈现的失效件表层硬度高于心部的结果相一致，进表面脆硬而且不均匀，导致其内应力较大，容易在使用过程中导致表面萌生裂纹，加上材料本身的塑性和韧性较差，而且心部组织不均匀，在实际恶劣工况环境下，承受反复冲击载荷，增加了其断裂倾向。

断口宏观和微观检测表明，断口表现为典型的解理断口特征，裂纹扩展方向与断裂表面近乎垂直，而且裂纹断口的外观平整，无撕裂特征，可以判定为脆性断裂。

综上分析，下连杆失效的主要原因是其组织及力学性能分布不均匀，加之心部缺陷多，在实际的工况下因承受反复的冲击载荷而导致断裂。