NTE200后懸缸支座斷裂分析

宗國慶,楊文慶,劉曉蓉,田光榮,葛東偉,張瑞鋒

(內蒙古北方重工業集團有限公司,內蒙古 包頭 014030)

用于某礦用車上的NTE200電動輪后懸缸支座,材料牌號為Q345E,由于工作環境較為惡劣,車輛在礦山運行27900 h左右后,該后懸缸支座發生橫向斷裂。為了分析NTE200后懸缸支座斷裂的原因,界定事故責任,對斷裂后懸缸支座進行了理化檢測與分析,確定了后懸缸支座存在的癥結,對事故形成做出了科學合理的解釋,并提出改進措施。

1 宏觀觀察及取樣

1.1 宏觀觀察

客戶提供的車輛工作狀態和后懸缸支座斷裂位置見圖1、圖2。斷口清洗后觀察斷裂面宏觀形貌見圖3,斷面呈灰褐色,表面覆蓋一層很厚的氧化產物,斷口由斷裂源區、裂紋擴展區及瞬間斷裂區三部分組成。斷裂起源于零件外表面,該區域較光滑,呈半橢圓形;擴展區呈現貝殼狀條紋;瞬斷區斷口為結晶狀,并且有扭壓坑,瞬斷區宏觀形貌見圖4。斷口具有典型的疲勞斷裂特征[1]。

圖1 車輛工作狀態Fig.1 Working status of vehicle

圖2 后懸缸支座斷裂位置Fig.2 Fracture position of rear suspension cylinder support

圖3 后懸缸支座斷裂面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture surface of rear suspension cylinder support

圖4 瞬斷區宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of the instantaneous break zone

圖5 取樣位置Fig.5 Sampling Location

1.2 試驗取樣

在斷裂后懸缸支座切取化學成分分析試樣、金相試樣和力學性能檢測試樣,取樣位置見圖3。其中金相試樣三塊,進行掃描電鏡觀察、裂紋分析、非金屬夾雜物檢測、顯微組織觀察和晶粒度檢測。

2 理化檢測

2.1 SEM觀察及能譜分析

NTE200后懸缸支座斷裂試樣經超聲波震蕩儀清洗后,采用FEG-450型掃描電子顯微鏡對試樣的斷裂面進行微觀形貌觀察。斷裂源區由于覆蓋氧化產物無法觀察其斷口形貌,見圖6;擴展區可觀察到疲勞條紋,見圖7;瞬斷區斷口形貌為解理,見圖8。

圖6 斷裂源區微觀形貌Fig.6 Micro morphology of the fracture source region

圖7 擴展區微觀形貌Fig.7 Micro morphology of the expansion zone

圖8 瞬斷區微觀形貌Fig.8 Micro morphology of the instantaneous break zone

對斷裂面進行能譜半定量成分分析,其成分含有C、O、Al、Si、Mn、Fe元素,見圖9。

圖9 試樣能譜圖Fig.9 Energy spectrum of sample

2.2 金相分析

垂直斷裂源縱向剖開進行磨制,采用金相顯微鏡觀察試樣的金相組織。在斷裂源區未發現缺陷,斷裂面上分布有凹坑和撕裂裂紋,凹坑最大深度為0.50 mm,形貌見圖10(a);擴展區和瞬斷區斷裂面上均分布有凹坑和撕裂裂紋,形貌見圖10(b)、10(c)和10(d);斷裂源周圍未發現有夾雜物聚集現象。

(a)斷裂源區凹坑缺陷;(b)擴展區凹坑和裂紋;(c)瞬斷區凹坑和裂紋;(d)瞬斷區撕裂裂紋圖10 試樣金相組織(a)pit defects in the fracture source area; (b)pits and cracks in the expansion zone;(c)pits and cracks in the instantaneous break zone; (d)tearing crack in the instantaneous break zoneFig.10 Microstructure of the sample

垂直后懸缸支座外表面進行磨制,采用金相顯微鏡觀察試樣形貌。在靠近斷裂源區外表面的部分區域分布有凹坑缺陷,凹坑最大深度為0.46 mm,形貌見圖11。

圖11 零件外表面凹坑缺陷Fig.11 Pitting defect on outer surface of parts

試樣經過4%硝酸酒精溶液腐蝕后,觀察后懸缸支座所有斷裂面及凹坑周圍發現均無脫碳現象,形貌見圖12。靠近斷裂源區側的外表面存在過熱現象,顯微組織為魏氏組織,過熱組織深度為距離外表面17 mm,形貌見圖13。心部和靠近瞬斷區顯微組織均為正常正火組織鐵素體+珠光體,但組織存在偏析現象,形貌見圖14。瞬斷區裂紋周圍分布有受扭壓形成的流線,形貌見圖15。

圖12 斷裂面無脫碳現象Fig.12 No decarbonization on the frature surface

圖13 過熱組織形貌Fig.13 Morphology of superheated structure

圖14 顯微組織存在偏析Fig.14 The segregation in microstructure

圖15 瞬斷區受扭壓形成的流線Fig.15 Streamline formed by torsional pressure in instantaneous break zone

2.3 化學成分分析

對斷裂后懸缸支座試樣進行化學成分分析,結果見表1。

表1 化學成分分析結果(質量分數,%)Table 1 Results of chemical composition analysis(mass fraction,%)

2.4 力學性能檢測

在后懸缸支座靠近斷裂源處取樣進行力學性能檢測,檢測結果表2。

表2 力學性能檢測結果Table 2 Test results of mechanical properties

3 結果分析

金相分析結果表明,斷裂后懸缸支座外表面存在凹坑缺陷,這些缺陷極易誘發疲勞源的生成。一般而言,對于金屬零件,絕大部分的疲勞斷裂均起始于零件表面或次表面,零件表面的完整性對其疲勞性能有著決定性的影響。這種缺口的存在會引發應力集中,疲勞微裂紋最易在此處萌生,這是零件疲勞斷裂最常見的原因[2]。

斷口觀察結果顯示,斷裂后懸缸支座斷口上疲勞擴展充分,宏觀斷口平坦光滑,說明其疲勞過程是比較長的。疲勞斷裂是一種由疲勞裂紋的產生→疲勞裂紋亞臨界擴展→疲勞裂紋擴展,當最大循環載荷在剩余截面上產生的應力達到該材料的缺口拉伸強度或裂紋長度達到斷裂韌性允許的臨界值時,就會發生失穩斷裂。疲勞裂紋的產生和擴展往往是在較低的交變應力下緩慢進行的[3]。

后懸缸支座外表面有一層17 mm的過熱組織,鋼過熱后在力學性能上的反映就是強度降低的同時,塑性與沖擊韌性也顯著降低,并且后者的降低往往更為的明顯[4]。力學性能檢測結果中,沖擊功低于技術要求證明了這一點。基體組織符合正火后的組織狀態,但存在偏析現象。偏析是金屬在冷凝過程中,由于各組元先后凝固順序不同而形成的化學成分不均勻現象。偏析會造成材料性能不均勻,偏析的產生在晶界處弱化了晶界的結合強度,對零件裂紋擴展起到推動作用。

由于后懸缸支座是礦用車的連接部件,實際受力較為復雜,工作中承受剪切應力和運行過程中受交變彎曲應力作用。車輛在礦山惡劣環境下工作,由于車輛運行時的振動,后懸缸支座在所受上述應力的基礎上,還將疊加由振動產生的交變應力。

綜上所述,由于后懸缸支座外表面存在凹坑缺陷和局部過熱組織缺陷,缺陷的存在引發應力集中,誘發疲勞源的生成,在后續的運行中沿凹坑缺陷和局部過熱的薄弱處形成微裂紋,在后懸缸支座每受到一次外力作用時,即沿著裂紋形成一條疲勞條紋。由于后懸缸支座多次受到循環外力作用,致使裂紋逐步擴展延伸直至斷裂。

4 結論與建議

斷裂后懸缸支座的化學成分符合標準GB/T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》中Q345E材料的規定要求。斷裂后懸缸支座的抗拉強度符合標準GB/T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》中Q345E材料的規定要求,但其沖擊值低于標準要求。NTE200后懸缸支座斷裂是由于零件表面存在凹坑缺陷,誘發了疲勞源的生成;而且零件局部存在過熱組織,降低了承載性能,在惡劣的路況下,過大的沖擊載荷,致使零件發生疲勞斷裂。

為了避免此類事故的發生,提出幾點建議：1)嚴格控制熱處理工藝的執行;2)對零件每道工序嚴格把關,杜絕有缺陷的產品投入使用;3)鋼的偏析與鋼的成分、鋼中氣體、雜質含量、澆注和冷卻條件等有關,主要從冶煉、澆注等方面采取措施,特別是減少鋼中的雜質及氣體。