限位桿連接叉斷裂原因分析

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(1. 第一拖拉機股份有限公司 工藝材料研究所, 洛陽 471004; 2. 洛陽市機械產品失效分析重點實驗室, 洛陽 471004; 3. 拖拉機動力系統國家重點實驗室, 洛陽 471004)

限位桿連接叉斷裂原因分析

劉巖1,2,王云飛1,2,3,魏彩麗1,2,曹耕原1,2,張戈1,2

(1. 第一拖拉機股份有限公司 工藝材料研究所, 洛陽 471004; 2. 洛陽市機械產品失效分析重點實驗室, 洛陽 471004; 3. 拖拉機動力系統國家重點實驗室, 洛陽 471004)

某拖拉機限位桿連接叉在進行空載提升試驗時發生斷裂，通過宏觀觀察、掃描電鏡觀察、金相檢驗、硬度測試、拉伸試驗等方法對限位桿連接叉的斷裂原因進行了分析。結果表明：限位桿連接叉原材料中的鋁元素含量較高，在鑄造凝固后的冷卻過程中，鋁元素與氮元素形成片狀氮化鋁夾雜物在原始奧氏體晶界位置析出，使材料的塑性和韌性大幅度降低，當受力過大時零件便會發生脆性斷裂。

限位桿連接叉；鋁含量;氮化鋁夾雜物；脆性斷裂

拖拉機通過懸掛系統牽引犁、旋耕機、播種機等農機具進行工作，懸掛系統是由上拉桿、提升桿、下拉桿以及限位桿等組成。其中限位桿連接叉的作用是通過連接銷將限位桿和下拉桿連接在一起，用于控制所牽引農具的橫向位移[1-3]。某型號拖拉機限位桿連接叉在試驗場內進行空載提升試驗時發生斷裂，筆者對損壞零件進行了檢驗和分析，以查明連接叉發生斷裂的原因。

斷裂連接叉材料為RZG310-570熔模鑄鋼，零件經過調質處理，調質工藝為850 ℃淬火后580 ℃高溫回火,基體硬度要求為215～265 HB。與連接銷內孔配合的叉口中心孔要求中頻感應淬火，200 ℃回火處理,淬硬層深度要求為1～3 mm，表面硬度要求為48～52 HRC。

1 理化檢驗

1.1宏觀觀察

圖1 限位桿連接叉宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the limited clevis rod

限位桿連接叉的整體宏觀形貌如圖1所示，斷裂部位位于叉口中心孔處，兩側中心孔處均發生斷裂。斷裂位置附近未發現明顯的塑性變形，斷口呈粗大的結晶狀特征，由平滑、光亮、稍有彎曲的小平面構成了典型的“石狀斷口”，如圖2所示。斷口為新鮮一次性斷口，未發現氧化、腐蝕等原始缺陷[4]。

圖2 限位桿連接叉斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fracture of the limited clevis rod

1.2掃描電鏡觀察

使用掃描電鏡(SEM)對限位桿連接叉斷口的微觀形貌進行觀察，圖3a)為放大70倍觀察到的斷口形貌，斷口上顯示出了粗大的柱狀晶特征，這種組織是在凝固過程中固態金屬定向生長形成的奧氏體晶粒,斷口微觀形貌特征為沿晶。

將圖3a)中方框區域放大500倍觀察得到圖3b)，可見斷面比較光滑平整，上面分布著條狀或片狀第二相析出物留下的韌窩狀痕跡，第二相析出物沿晶界析出且呈有規律的角度排布，如圖3c)所示。使用能譜儀(EDS)對圖3b)中斷口表面的兩個微區進行能譜分析，結果如圖4所示，可見鋁、氮元素含量較高，證明在斷口位置存在鋁、氮元素的富集。

圖3 斷口的掃描電鏡形貌Fig.3 SEM morphology of the fracture

圖4 斷口表面能譜分析結果Fig.4 EDS analysis results of the fracture surface: a) region I; b) region II

1.3金相檢驗

在限位桿連接叉斷口附近取樣進行金相檢驗。結果如下：中心孔工作面淬硬層深度為0～2.8 mm，中心孔表面正中位置未淬火，如圖5所示；限位桿連接叉的基體顯微組織為回火索氏體+鐵素體+殘余鑄態組織，如圖6所示；限位桿連接叉的晶粒異常粗大，按GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定法》對晶粒度進行評定[5]，結果為晶粒度級別00級，如圖7所示。

圖5 限位桿連接叉中心孔處的淬硬層宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of the hardening layer in centre hole of the limited clevis rod

圖6 限位桿連接叉的基體顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the matrix of the limited clevis rod

圖7 限位桿連接叉的晶粒形貌Fig.7 Grain morphology of the limited clevis rod

1.4硬度測試

對限位桿連接叉的基體硬度和叉口中心孔表面硬度進行測試，結果如表1所示，可見限位桿連接叉的基體硬度符合技術要求，叉口中心孔表面感應淬火區的硬度低于技術要求。

1.5拉伸試驗

對限位桿連接叉進行拉伸試驗，結果如表2所示。連接叉材料沒有屈服階段，因此測得的結果中屈服強度、斷后伸長率、斷面收縮率均為無效值，不符合JB/T 5100-1991《熔膜鑄造碳鋼件 技術條件》的要求[6]，試驗材料在室溫下呈脆性材料特征。

表1 限位桿連接叉的硬度測試結果Tab.1 Hardness testing results of the limited clevis rod

表2 限位桿連接叉的拉伸試驗結果Tab.2 Tensile test results of the limited clevis rod

1.6熱酸蝕試驗

對限位桿連接叉的拉伸斷裂試樣進行熱酸蝕試驗，試樣經過熱酸蝕后表面出現沿晶網狀龜紋，如圖8所示。

圖8 熱酸蝕后試樣的宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of the specimen after hot etching

1.7化學成分分析

對限位桿連接叉進行化學成分分析，其中磷、硅、錳、鋁元素采用布魯克Q8型光電直讀光譜儀進行分析，碳、硫元素采用HW-2000型紅外碳、硫分析儀進行分析，結果如表3所示。結果顯示碳、硫、磷、硅、錳元素含量均符合JB/T 5100-1991要求。

表3 限位桿連接叉化學成分分析結果(質量分數)Fig.3 Analysis results of chemical compositions of thelimited clevis rod (mass fraction) %

2 分析與討論

限位桿連接叉的化學成分中碳、硫、磷、硅、錳元素含量均符合JB/T 5100-1991要求。目前鑄鋼標準未對鋁含量作出規定，有關資料顯示，適量的鋁有利于脫去鋼液中的氧。當最終鋼液中的殘余鋁含量不足0.1%(質量分數，下同)時，一般不會對鑄鋼件產生影響。當鋼中的最終殘余鋁含量在0.1%～0.2%時，雖然產生缺陷的傾向比較小，但鋼液在脫氧和鑄型的澆鑄過程中會形成很多鋁的氧化物夾雜，使鑄鋼件的力學性能降低。當鑄件中的最終殘余鋁含量大于0.2%時，過量的鋁就會在晶界上析出含鋁夾雜物，從而形成“石狀斷口”缺陷。因此合適的殘余鋁含量范圍為0.020%～0.065%[7]，鑄鋼中鋁含量一般不應超過0.08%。

拉伸試驗結果顯示，限位桿連接叉的屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率不符合JB/T 5100-1991要求，該零件的塑性和韌性極差是造成限位桿連接叉脆性斷裂的主要原因。

限位桿連接叉經熱酸蝕后表面出現網狀龜紋，其網紋的尺寸與微觀觀察到的鑄造時形成的粗大晶粒尺寸相一致。由于原始奧氏體晶界上存在易被腐蝕的物質，導致熱酸蝕后產生網狀龜紋。

通過金相檢驗可以看出，限位桿連接叉的基體顯微組織為回火索氏體+鐵素體+殘余鑄態組織。組織狀態顯示零件經過調質處理，但是鑄態殘留的網狀大晶粒未被完全消除。網狀組織的晶粒度級別為00級, 粗大網狀晶粒的存在降低了限位桿連接叉的塑性和韌性。

限位桿連接叉的硬度測試結果顯示，零件基體硬度符合技術要求，反映了零件調質處理工藝正常。叉口中心孔內壁感應淬火區的深度低于技術要求，表面硬度也低于技術要求，說明感應淬火工藝存在問題。但是表面硬度和淬硬層深度不足一般會造成零件磨損、韌性斷裂或者疲勞斷裂，與該限位桿連接叉的斷裂模式不一致，因此感應淬火工藝不當造成的硬化層深度和硬度偏低不是造成限位桿連接叉脆性斷裂的主要因素。

掃描電鏡觀察結果顯示，限位桿連接叉斷口存在鑄造時形成的柱狀晶區域，斷口表面為凝固時形成的原始奧氏體晶粒，晶界上存在片狀或條狀的第二相析出物。掃描電鏡觀察結果證明，晶界上存在第二相析出物削弱了材料的強度，誘使零件從原始奧氏體晶界開裂。由于第二相析出物沿著粗大的奧氏體晶界分布，零件斷口顯示為冰糖狀斷口，微觀上開裂源處會留下枝晶狀的韌窩。

能譜分析結果顯示斷口上的鋁、氮元素的含量比較高，這是由于目前鋼鐵企業往往采用鋁作為脫氧劑，當鋁的用量控制不佳時，會和空氣中的氮元素形成氮化鋁化合物。一定量的氮化鋁可以起到細化晶粒的作用，但是過量的氮化鋁在鋼液凝固后的緩慢冷卻過程中，會在原始奧氏體晶界處析出[8-9]。

析出的氮化鋁晶體通常為片狀，厚度大約為0.5 μm，呈樹枝狀分布。片狀的氮化鋁晶體對原始奧氏體晶界位置的基體起到了割裂作用，破壞了基體組織的連續性，類似于灰鑄鐵中的片狀石墨。在受到外力時，片狀氮化鋁存在的界面最為薄弱。當外力過大時，材料就會從片狀氮化鋁位置直接開裂。這與力學性能測試結果顯示的拉伸過程沒有屈服階段相一致。

3 結論

(1) 該限位桿連接叉在室溫下呈脆性特征，塑韌性極差，材料本身存在鑄造缺陷。

(2) 該限位桿連接叉的鋁含量較高，脫氧過程中殘留的鋁元素和空氣中的氮元素結合，形成硬脆的片狀氮化鋁晶體在晶界處析出，導致限位桿連接叉在受力過大時直接斷裂失效。

4 建議

在鑄鋼的冶煉過程中采取措施嚴格控制材料中氮元素和鋁元素的含量，比如保持足夠的氧化沸騰時間和脫碳速率使氣體充分排出，使用其他脫氧劑代替含鋁脫氧劑，以減少甚至避免氮元素和鋁元素的介入。

[1] 袁小飛,管永剛,云峰.拖拉機牽引裝置總成虛擬裝配設計[J].科技創新導報,2008(27):14-15.

[2] 楊永生,張雪花,曹淑芬,等.限位桿左支座焊合件斷裂原因分析[J].拖拉機與農用運輸車,2014(2):76-78.

[3] 趙傳揚.淺談拖拉機與農機具銜接技術[J].農業機械,2013(4):77-81.

[4] 王榮.機械裝備的失效分析(續前) 第3講 斷口分析技術(下)[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(12):833-840,845.

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[6] JB/T 5100-1991 熔膜鑄造碳鋼件 技術條件[S].

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[8] 鐘群鵬,趙子華.斷口學[M].北京:高等教育出版社,2006:203.

[9] 張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業出版社,2004:151.

AnalysisonFractureReasonsoftheLimitedClevisRod

LIUYan1,2,WANGYunfei1,2,3,WEICaili1,2,CAOGengyuan1,2,ZHANGGe1,2

(1. Technology and Material Research Institute, First Tractor Company Limited, Luoyang 471004, China; 2. Luoyang Key Laboratory of Mechanical Product Failure Analysis, Luoyang 471004, China; 3. State Key Laboratory of Power System of Tractor, Luoyang 471004, China)

The limited clevis rod of a tractor fractured during no-load lifting test. The failure reasons of the limited clevis rod were analyzed by means of macroscopic inspection, scanning electron microscope observation, metallographic examination, hardness testing, tensile test and so on. The results show that: the aluminum content of the raw material of the limited clevis rod was relatively high; during the cooling process after casting solidification, flake aluminum nitride inclusions, which formed by the aluminum and nitrogen element, precipitated in the prior austenite grain boundaries, caused the dramatical decrease of material plasticity and toughness, and resulted in the brittle fracture of the parts under extremely large force.

limited clevis rod; aluminum content; aluminum nitride inclusion; brittle fracture

10.11973/lhjy-wl201709011

2016-09-28

劉 巖(1988-)，女，工程師，學士，主要從事金屬材料研究工作，liuyan108.cool@163.com

TB31

：B

：1001-4012(2017)09-0664-04