油缸筒爆裂分析

摘 要：本文主要介紹天津某公司生產(chǎn)的航天液壓油缸管，使用材料為27MnSi鋼，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17396-2009。該產(chǎn)品在正常打壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，突然發(fā)生爆裂，有的產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中突然發(fā)生爆裂。為找出該工件在生產(chǎn)過(guò)程中及打壓實(shí)驗(yàn)中發(fā)生爆裂的原因，到該公司生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)了解生產(chǎn)過(guò)程及工藝，截取發(fā)生爆裂的產(chǎn)品，進(jìn)行化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊韌性、壓扁、端口宏觀觀察、金相、電鏡微觀分析等實(shí)驗(yàn)，將測(cè)試結(jié)果對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求數(shù)值，綜合產(chǎn)品加工工藝進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該油缸管內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)呈帶狀偏析，且斷口上有非金屬夾雜物及顯微裂紋的存在，降低了金屬結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和韌性。當(dāng)加工過(guò)程中（如冷拔、輥軋、焊接等），加工硬化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，在應(yīng)力集中點(diǎn)較大，而內(nèi)部缺陷較為嚴(yán)重的部位產(chǎn)生裂紋源，以至瞬間開(kāi)裂。

關(guān)鍵詞：爆裂；非金屬夾雜物；加工應(yīng)力

前言

天津某公司生產(chǎn)的航天液壓油缸筒，使用的材料為27MnSi鋼，外徑？準(zhǔn)170mm壁厚10mm的無(wú)縫鋼管（參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T17396-2009），經(jīng)冷拔擴(kuò)孔，內(nèi)外圓機(jī)加工，內(nèi)孔輥光，鉆孔，局部焊接，表面鍍層等工序制造。在正常打壓試驗(yàn)時(shí)，突然發(fā)生爆裂，有的產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生爆裂。為找出該工件在生產(chǎn)過(guò)程中及打壓試驗(yàn)中發(fā)生爆裂的原因，特進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試和驗(yàn)證。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)和分析，找出該工件失效的主要原因。

1 檢測(cè)項(xiàng)目及結(jié)果

1.1 化學(xué)成分

1.2 機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果

1.2.1 縱向拉伸：抗拉強(qiáng)度為801MPa，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度為640MPa，斷后伸長(zhǎng)率18%。

1.2.2 沖擊韌性（試樣尺寸：7.5×10×55mm，試驗(yàn)溫度：常溫）

1.2.3 壓扁試驗(yàn)：當(dāng)鋼管壓至70～67mm時(shí)，鋼管變形面突然開(kāi)裂，觀察壓扁產(chǎn)生的裂紋：內(nèi)壁開(kāi)裂現(xiàn)象比外壁開(kāi)裂更明顯，外壁屬于延伸裂紋，內(nèi)壁屬于脆性裂紋。

1.3 斷口宏觀觀察

失效斷口自缸筒端部沿軸向斷裂（斷裂總長(zhǎng)度未提供數(shù)據(jù)），斷口比較平直，斷口截面上有人字紋花樣，并有亮晶晶的小晶面，斷口周邊無(wú)明顯的塑性變形，屬脆性斷裂（見(jiàn)圖1）。

1.4 金相分析

金相試樣取自斷口附近（觀察其縱向截面）。基體金相組織為珠光體+鐵素體。組織分布不均勻，組織中有非金屬夾雜物，且鐵素體分布呈帶狀偏析。

該工件斷口處經(jīng)掃描電鏡觀察，其斷口上為扇形及荷葉形花樣，大部分為解理斷口+少量準(zhǔn)解理斷口），斷口中鑲有條狀非金屬夾雜物，并且斷口中分布著較多的二次裂紋，有些裂紋中鑲有球狀?yuàn)A雜物，屬于脆性斷口。

2 分析

2.1 鋼管化學(xué)成分分析

通過(guò)以上機(jī)械性能數(shù)據(jù)分析可以看出，該鋼管化學(xué)成分雖然合格，但是縱向抗拉強(qiáng)度不符合GB/T 17396-2009標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的≥980MPa，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度不符合GB/T 17396-2009標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的≥835MPa。冷拔加工已復(fù)蓋了屈服變形（縱向產(chǎn)生了塑性變形），沖擊韌性較低，不符合GB/T 17396-2009標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的≥39J，且韌性值相差較大，最大值為11J，最小值為5.6J，接近相差1倍，說(shuō)明在不同部位存在著偏析或缺陷（例如：非金屬夾雜物、顯微裂紋、組織偏析、局部硬化等）。壓扁試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鋼管內(nèi)壁的脆性大于外壁，證明內(nèi)壁加工硬化明顯。

2.2 非金屬夾雜物

連鑄鋼坯中易存在著較多的非金屬夾雜物，在軋制過(guò)程中，該部位的金屬受力不均勻而產(chǎn)生顯微裂紋，在受熱過(guò)程中，鋼管壁內(nèi)外產(chǎn)生溫度梯度，外表面由于相變收縮產(chǎn)生切向拉應(yīng)力，使顯微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，形成裂紋。非金屬夾雜物等同于金屬內(nèi)部裂紋缺陷，破壞了鋼基體的連續(xù)性和致密性，造成了組織的不均勻，在外力作用下會(huì)引起應(yīng)力集中，從而降低了鋼的機(jī)械性能和加工性能，在無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)和加工過(guò)程中，易造成鋼管的開(kāi)裂。

2.3 帶狀偏析

帶狀偏析是金屬材料在軋延過(guò)程中，金屬內(nèi)部晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)拉細(xì)，形成纖維狀，若金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻，容易伸長(zhǎng)的鐵素體完全變形，而不易延伸的其他組織必然會(huì)阻止易延伸組織的變形。因此，金屬內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)能，尤其在冷拉過(guò)程中，在局部塑性變形較大時(shí)，晶格產(chǎn)生畸變，有的晶粒會(huì)破碎，甚至晶粒間會(huì)產(chǎn)生纖維裂紋。致使金相組織不均勻，造成應(yīng)力集中。這種帶狀偏析存在于鋼板和鋼管中，必然會(huì)造成橫向韌性明顯下降，由于冷軋應(yīng)力的增大，顯微裂紋在擴(kuò)展，一旦有裂紋源產(chǎn)生，鋼管就像劈竹管一樣，沿著纖維方向瞬間開(kāi)裂。

2.4 加工硬化

加工硬化是金屬在冷加工過(guò)程中使內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量的塑性變形，使晶粒間產(chǎn)生位錯(cuò)和滑移，引起晶格明顯變形，從而使晶格能量提高，金屬內(nèi)部能量的增加造成金屬內(nèi)部的應(yīng)力不均勻，因此產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，這時(shí)必然會(huì)使金屬硬度增加，韌性下降。當(dāng)鋼管在冷拔過(guò)程中的殘余應(yīng)力未能消除的情況下，又進(jìn)行其它的加工（如機(jī)械加工、壓力加工、焊接等），因此使金屬內(nèi)部應(yīng)力繼續(xù)增大，導(dǎo)致硬化現(xiàn)象更加顯著，當(dāng)金屬內(nèi)部殘余應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)就會(huì)沿某一晶粒界面撕裂（晶格內(nèi)有缺陷的部位首先形成裂紋），形成裂紋源。

加工硬化的機(jī)理某些地方同帶狀偏析形成機(jī)理有相近之處，但不同的是帶狀偏析發(fā)生在同一個(gè)方向延展面，而加工硬化沒(méi)有方向性，各種冷加工都會(huì)產(chǎn)生加工硬化。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的測(cè)試數(shù)據(jù)和分析討論結(jié)果判定：由于該油缸筒內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)呈帶狀偏析，且斷口上有非金屬夾雜物及顯微裂紋的存在，降低了金屬結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和韌性。當(dāng)加工過(guò)程中（如冷拔、輥軋、焊接等），加工硬化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，在應(yīng)力集中點(diǎn)較大，而內(nèi)部缺陷較為嚴(yán)重的部位產(chǎn)生裂紋源，以至瞬間開(kāi)裂。