活塞桿突然斷裂怎么辦

摘要：某型號45鋼制活塞桿在生產(chǎn)中出現(xiàn)批量開裂事故。通過斷口形貌觀察、金相檢驗、力學(xué)性能測試和掃描電鏡分析等手段對活塞桿開裂原因進行了研究。結(jié)果表明：活塞桿的裂紋性質(zhì)為矯直過程中發(fā)生的感應(yīng)層脆性開裂，而矯直斷裂的原因則是由于活塞桿在感應(yīng)加熱淬火時移動速度不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致硬化層出現(xiàn)軟帶，使得表面硬度和有效硬化層深度波動范圍大大超出標(biāo)準(zhǔn)要求，且軟帶區(qū)處于殘余拉應(yīng)力狀態(tài)，在矯直應(yīng)力的作用下萌生裂紋。

45鋼作為一種優(yōu)質(zhì)碳素鋼，調(diào)質(zhì)處理后硬度可控范圍寬，綜合性能較好，但由于淬火性能一般，常需要對其進行中高頻或火焰表面淬火等，這樣就能得到高的表面硬度和良好的心部韌性之間的配合。例如，高頻淬火的“超硬度”現(xiàn)象，表面硬度可達62～66HRC，不僅大大提高了工件的耐磨性和疲勞抗力，而且缺口敏感性較小，曲軸和活塞桿類零件多采用此類工藝。目前，活塞桿的研究多集中在疲勞壽命和模態(tài)分析等領(lǐng)域，而造成其早期斷裂失效的原因則大多是由于熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致的。某單位生產(chǎn)的活塞桿型號為φ110mm×1000mm，材質(zhì)為45鋼，制造工藝流程：棒材→調(diào)質(zhì)→矯直1→車外圓→高頻感應(yīng)淬火+低溫回火→矯直2→精磨→電鍍鉻→拋光。檢查時發(fā)現(xiàn)10%的成品存在開裂現(xiàn)象，且裂紋呈軸向趨勢擴展。本文通過斷口宏微觀形貌觀察、能譜分析、金相檢驗及硬度測試等方法對斷裂活塞桿進行了詳細(xì)的分析，并最終確定了活塞桿斷裂的根本原因。01試驗過程與結(jié)果（1）化學(xué)成分分析

活塞桿化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。表1活塞桿化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))（%）（2）宏微觀形貌檢查及能譜分析

活塞桿宏觀形貌如圖1a所示，開裂處見圖中紅色虛線區(qū)域，裂紋整體沿軸向分布，深度未知，總長約50mm，周圍光亮無異常，未見氧化、腐蝕、磕碰及擦傷等現(xiàn)象。圖1活塞桿外觀及斷口宏觀形貌（a）將開裂區(qū)域線切割取下采用三點彎曲方法打開進行斷口觀察，如圖1b所示，從中可看出：斷口包括深色舊裂紋區(qū)和銀灰色新鮮的人為打開斷口區(qū)；值得注意的是，舊裂紋面整體呈波浪狀，且“波浪”為等距分布，測量顯示波峰對應(yīng)的最大深度約2mm，這與表面感應(yīng)層相近。圖1活塞桿外觀及斷口宏觀形貌（b）將圖1b中斷口采用無水乙醇超聲波清洗后放入掃描電鏡中觀察微觀形貌并進行能譜分析，結(jié)果如圖2、表2所示。圖2斷口微觀形貌檢查結(jié)果

表2能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）從中可看出：①舊裂紋區(qū)與人為打開斷口區(qū)的界限分明，呈波浪狀，這與宏觀檢查一致，且每節(jié)波形寬度約8mm，最大深度約2mm，波形與波形之間的交匯臺階清晰可見。②舊裂紋面靠近表面的局部區(qū)域檢查發(fā)現(xiàn)有熔融態(tài)的鉻成分，說明活塞桿在電鍍前已經(jīng)發(fā)生開裂。③舊裂紋面微觀形貌包括較為明顯的兩個區(qū)域，靠近表層約1mm范圍為沿晶斷裂特征，斷面存在大量晶間裂紋，說明該區(qū)應(yīng)力較大，次表層約1mm范圍則以等軸韌窩為主，表現(xiàn)為拉應(yīng)力作用下開裂。（3）低倍及顯微組織分析在開裂處附近沿圖1a中黃色虛線取樣進行橫截面低倍腐蝕試驗，檢驗結(jié)果如圖3a、表3所示，裂紋僅存在于感應(yīng)層范圍內(nèi)，與前述分析一致。圖3低倍檢驗表3

低倍檢查沿圖1a中綠色虛線取樣進行縱截面低倍腐蝕試驗，如圖3b所示，感應(yīng)層呈波浪形分布，波形之間界限清晰。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，波形之間的交界區(qū)與感應(yīng)層和基體之間的交界區(qū)宏觀腐蝕后同顯灰白色，推測感應(yīng)淬火層軸向存在不連續(xù)現(xiàn)象。對圖3b中試樣進行金相檢驗，結(jié)果如圖4所示，從圖中可得出以下結(jié)論：圖4金相檢驗結(jié)果①活塞桿鍍鉻層均勻、連續(xù)，厚度約16μm，滿足產(chǎn)品技術(shù)要求（≥15μm）。②波浪形區(qū)域組織為回火馬氏體，表面硬度約54HRC(由距離表面100μm處HV1轉(zhuǎn)換)，有效硬化層深度約1.6mm，二者均低于技術(shù)要求（≥55HRC、≥1.8mm）。③值得提出的是，波浪形交界處組織同感應(yīng)層與基體過渡區(qū)，為回火馬氏體+屈氏體+較多量先析鐵素體，表現(xiàn)為亞溫淬火組織特征，該區(qū)表面硬度僅為400HV1，遠(yuǎn)低于正常區(qū)域的575HV1，而JB/T9201—2007明確規(guī)定對于表面硬度大于500HV的單件產(chǎn)品，維氏硬度差值不得大于85HV1，對于有效硬化層深度在1.5~2.5mm的單件產(chǎn)品，層深波動范圍不得大于0.4mm。④仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)層次表面（1.5~2mm范圍）組織為屈氏體+斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，仍保持調(diào)質(zhì)態(tài)組織特征，這也是該區(qū)微觀形貌為韌窩的主要原因。⑤活塞桿基體組織為珠光體+斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體，奧氏體晶粒度約為7.5級。02分析與討論根據(jù)上述檢驗結(jié)果可知，活塞桿開裂發(fā)生于桿身中部最大變形處，裂紋沿軸向連續(xù)分布，總長度約50mm，深度約2mm（感應(yīng)層深度），斷裂面邊緣可見熔融態(tài)鉻，說明開裂發(fā)生于電鍍之前。另外，宏微觀形貌及金相檢查結(jié)果顯示，舊裂紋面表現(xiàn)為拉伸斷裂特征，活塞桿軸向均勻間隔分布著淬火軟帶，其表面硬度及有效硬化層深度的波動范圍大大超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。因此，結(jié)合制造工藝可判斷：活塞桿的感應(yīng)淬火過程存在異常，導(dǎo)致感應(yīng)區(qū)出現(xiàn)較大的殘余拉應(yīng)力和淬火軟帶，在矯直拉應(yīng)力的作用下，最大變形處的感應(yīng)層最先開裂。通常，活塞桿在工作中，表面要承受交變接觸應(yīng)力和摩擦力，因此表面硬度和淬硬層深度是決定活塞桿使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。而感應(yīng)淬火的目的是提高表面硬度，較大地提高零件的扭轉(zhuǎn)、彎曲疲勞強度和表面的耐磨性。相關(guān)文獻中也列舉了幾種軸類零件因表面無淬硬層或淬硬層不連續(xù)而導(dǎo)致的早期失效案例。從殘余應(yīng)力的角度出發(fā)指出：感應(yīng)淬火零件的硬化層中存在殘余壓應(yīng)力，過渡層和淬火區(qū)域的邊界處存在殘余拉應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力的合理分布能夠提高零件的強度和疲勞強度。由此可見，本文所述的間隔分布的淬火軟帶則處于殘余拉應(yīng)力狀態(tài)。更是以齒輪為代表零件，深入研究了感應(yīng)淬火工藝與零件表面剝落之間的關(guān)系，并提出了提高感應(yīng)淬火工藝水平的相關(guān)建議。因此，類似文中活塞桿即使在矯直過程中不發(fā)生開裂，在服役過程中淬火軟帶區(qū)也會成為裂紋源導(dǎo)致早期疲勞失效。針對此類問題，張士祥提出了幾種消除感應(yīng)淬火軟帶的方法。綜上所述，活塞桿在矯直過程中開裂是因為最大變形處存在淬火軟帶，一方面使得該處強度不足，另一方面局部產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。而造成淬火軟帶的根本原因是零件與感應(yīng)器之間的移動速度不協(xié)調(diào)所致。03結(jié)論（1）失效活塞桿的斷裂性質(zhì)為矯直引發(fā)的感應(yīng)層脆性開裂。（2）活塞桿的斷裂主要與最大變形處存在淬火軟帶有關(guān)，致使其在矯直過程中發(fā)生縱向開裂，該區(qū)表面硬度和有效硬化層深度波動范圍大大超出標(biāo)準(zhǔn)，且二者均低于產(chǎn)品技術(shù)要求。（3）活塞桿表面淬火軟帶的形成