裝載機副車架斷裂失效分析

蘇雅萍，韋先華

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

輪式裝載機是當今工程建設中應用最為廣泛的一種工程機械。輪式裝載機的作業工況復雜多變，在作業和行走過程中承受各種力和力矩。由于作業時載荷變化大，在設計時均不設彈性懸掛裝置以保證作業穩定性，但同時為了保證裝載機在不平路面上行駛的平頗性及牽引性，必須要保證四個輪胎都能著地，因此設計時應有一個驅動橋能隨路面的起伏作相對擺動。裝載機前橋直接剛性連接在前車架上，后橋通過副車架與后車架處于非剛性連接狀態，在行駛過程中副車架可以擺動，可避免后橋直接把震動傳遞給后車架，起到吸震、減震作用。因此副車架是一個重要的受力部件，如圖1所示。

圖1 副車架零件簡圖及斷裂位置

某型輪式裝載機副車架在使用過程中發生早期異常斷裂失效，本文對斷裂副車架從宏觀斷口、材料、金相組織、裂紋形態、力學性能等方面進行綜合分析，找出副車架開裂的原因，為設計、材料、工藝等方面優化與改進提供依據，提高質量及性能，避免零件發生斷裂。

裝載機副車架是鑄鋼件，采用ZG40Cr材料，鑄造后經退火、正火、調質處理、銑削、鉆削、涂漆等工藝加工而成。

1 檢驗分析

1.1 斷口宏觀分析

失效副車架斷裂成四節，斷口均未見塑性變形，斷面有金屬光澤，斷口呈冰糖狀，中心為圓周形，外側成粗大放射狀，為脆性斷裂。首先斷裂處為銷軸連接孔中部，斷面為黑色，肉眼可觀察到細小裂紋分布在晶棱間，如圖2所示。

圖2 失效零件及宏觀斷口形貌

1.2 化學成分分析

斷裂副車架材質為鑄鋼ZG40Cr，取樣塊后使用火花直讀光譜儀進行成分分析，結果見表1，經對比，其成分符合行業標準要求。該零件材質外協廠家長期按行業標準生產控制，化學成分雖符合標準JB/T 5939[1]《工程機械鑄鋼件通用技術條件》中ZG40Cr的要求，但成分中檢測到的Al含量高達0.42%，行業標準雖未給出Al含量控制范圍，但美國卡特彼勒公司鑄鋼件標準中明確規定Al含量為0.02%～0.10%.

表1 斷裂副車架化學成分檢測結果（質量分數%）

1.3 力學性能分析

使用布氏硬度計進行硬度測試。在距首先斷裂處斷口附近，距表面5 mm、10 mm、15 mm位置硬度分別為283 HB、283 HB、269 HB，零件技術要求為調質硬度229 HB～302 HB，失效件硬度符合要求。

從斷裂件上完好地方距表面10 mm位置取拉伸試樣（直徑10 mm、標距50 mm），在萬能材料試驗機進行拉伸試驗，檢測結果見表2，拉伸性能不符合標準要求。拉伸試樣僅受4.09 kN力時就發生異常斷裂，斷口呈粗晶脆性，95%斷面呈石墨色，見圖3.敲擊試樣，聲音沉悶，類似鑄鐵聲音。

表2 力學性能試驗結果

圖3 拉伸試樣異常斷口

1.4 金相分析

從拉伸試樣異常斷口、一失效斷口附近分別取金相試樣，經4%硝酸酒精溶液腐蝕后，用徠卡DMI-5000M倒置金相顯微鏡觀察組織。調質處理組織檢驗參照TB/T 3212.3[2]《機車車輛用低合金鑄鋼金相組織檢驗圖譜 第3部分：E級鑄鋼》標準，1級～7級為合格。零件奧氏體晶粒度采用過飽和苦味酸水溶液浸蝕顯示，奧氏體晶粒度要求不大于5級。

拉伸試樣異常斷口附近的橫截面的金相組織為回火索氏體+極少量先共析鐵素體，1級，屬于正常調質組織；其奧氏體晶粒度為7級～8級，見圖4和圖5.

圖4 拉伸試樣橫截面組織 500×

圖5 拉伸試樣橫截面晶粒形貌 400×

距銷軸連接孔中部首斷處失效斷口約15 mm位置，副車架外框表面的金相組織為回火索氏體+極少量先共析鐵素體，1級，屬于正常調質組織；其奧氏體晶粒度為7級～8級，見圖6和圖7；而副車架內框表面的金相組織為回火索氏體+先共析塊狀鐵素體，2級，屬于正常調質組織；其奧氏體晶粒度為7級～8級，見圖8和圖9.

圖6 外框表面組織 500×

圖7 外框表面組織晶粒形貌 400×

圖8 內框表面組織 500×

圖9 內框表面組織晶粒形貌 400×

縱向切割斷口位置，縱截面可見裂紋1源于內部鑄態晶棱，呈直角狀，向兩邊延伸直到斷面，多處呈直線擴展，其組織為回火索氏體+極少量先共析鐵素體，1級，見圖10、圖11；裂紋2源于原鑄態晶棱，尾部呈光滑直線狀，其組織為回火索氏體+極少量先共析鐵素體，1級，見圖12、圖13；裂紋3源于原鑄態晶棱，尾部光滑，其組織為回火索氏體，6級，見圖14；斷口縱截面正常組織位置的奧氏體晶粒度為7級～8級，見圖15.

圖10 裂紋1拋光態形貌 100×

圖11 裂紋1金相組織 500×

圖12 裂紋2始端和末端拋光態形貌 100×

圖13 裂紋2始端和末端金相組織 500×

圖14 裂紋3拋光態形貌（100×）及金相組織（500×）

圖15 斷口縱截面正常組織處晶粒形貌 400×

奧氏體晶粒的大小對調質鋼的強韌性的關系頗為密切，奧氏體晶粒大小也是衡量熱處理工藝執行情況的重要手段。由以上金相分析可知，失效副車架的調質組織正常，調質后奧氏體晶粒度細致，說明零件的熱處理工藝正常。從裂紋形態及裂紋兩側組織無氧化無脫碳為正常的調質組織，可知斷口宏觀裂紋明顯不是淬火裂紋，排除了淬火開裂。

1.5 掃描電鏡分析

在金相試樣磨面上用ZEISS掃描電子顯微鏡觀察，發現組織中有各種夾雜物，見圖16.

圖16 金相組織中的夾雜物SEM圖片

經能譜分析，試樣磨面多處發現在晶界有AlN鋁夾雜物，見圖17～圖18.從能譜圖中可以看出，能譜在晶界位置Mn、Al、N等元素能量的突變。形成該現象的原因是由于鋼液中存在過多的Al元素，由于Al元素較Mn、Cr元素氧化能力強，造成鋼水在還原期、冷卻過程中過多的Mn及Cr元素被還原出來，在晶界形成Mn的富集區，造成能量的突變。同時由于Al元素的過剩，致使鋼水中的N元素在高溫狀態下同其形成穩定的AlN，進一步消弱晶間強度[3]。

圖17 金相組織中的夾雜物能譜分析圖

圖18 金相組織中的夾雜物能譜分析圖

2 討論分析

鋁在煉鋼中主要作為脫氧劑使用，同時鋁能夠細化晶粒，還有提高鋼的強韌性的作用。鋼中殘鋁量過低會影響鋼中酸溶鋁的含量從而影響鋼液的脫氧程度。鋼中殘鋁量過高除了會影響鋼中夾雜物形態和分布外，還會大大增加脆性斷口發生的可能性[4]。一旦鋼件中存在超量的Al元素，造成其在一次奧氏體晶界形成AlN，割裂了鋼件基體，同時采用重新熱處理的方式是無法消除的[3]。AlN在奧氏體晶粒形成時以粗大薄膜狀析出于晶界，產生組織缺陷降低副車架的塑性和韌性，增加晶間產生裂紋的傾向[4]。

據文獻介紹[5]：當Al含量低于0.02%時，組織粗大，組織均勻性較差。當Al含量介于0.02%-0.16%之間時，隨Al含量增加，組織均勻性較好，材料的各項力學性能均較好，材料的斷裂類型為典型的塑性斷裂。而當Al含量介于0.16%-0.20%時，雖然組織仍比較細小，但是Al含量為0.20%時，材料出現了塑性和脆性的混合斷口。當Al含量高于0.20%時，晶粒變大，組織均勻性也顯著降低，且隨Al含量升高，材料的延伸率和斷面收縮率不斷降低，材料的斷裂類型由塑性斷裂轉變為脆性斷裂。

綜上所述，副車架的組織、硬度及熱處理工藝正常，但材料中過多的鋁含量形成脆性ALN夾雜，降低副車架的塑性和韌性，容易形成脆性斷口，致使拉伸試樣發生異常斷裂，且斷口呈粗晶脆性，零件在使用過程中從鑄態奧氏體晶界產生晶間裂紋并發生脆性斷裂，從而形成粗大冰糖狀斷口。

3 結論

在鑄造生產脫氧工序中鑄件存在超量的鋁，致使在高溫狀態下鋼中形成穩定的脆性AlN夾雜并分布在鑄態奧氏體晶界上，割裂了鋼件基體，嚴重降低鑄件力學性能，使用過程中從鑄態奧氏體晶界產生晶間裂紋并發生脆性斷裂。