肖利民，秦曉鋒

(齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

0 引言

我公司從2007年開始為澳大利亞力拓公司生產(chǎn)礦石車.該車所用 F51AE型鉤舌，材料為ZG25MnCrNiMo鑄鋼，熱處理工藝為淬火+高溫回火處理，質(zhì)保期為二年.但使用一年左右即陸續(xù)發(fā)生了鑄號(hào)為0733、0773和0078的鉤舌的早期斷裂事故.對(duì)此，我公司從鉤舌的材質(zhì)、斷口、結(jié)構(gòu)以及受力狀態(tài)等方面進(jìn)行了分析，找出了導(dǎo)致鉤舌早期斷裂失效的原因，為鉤舌結(jié)構(gòu)改進(jìn)、材質(zhì)控制及鉤舌使用壽命的提高提供了依據(jù).

1 斷裂鉤舌的材質(zhì)分析

1.1 化學(xué)成份

從斷裂鉤舌上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1.除0078號(hào)鉤舌鋁含量偏高外，其余化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

表1 斷裂鉤舌的化學(xué)成分%

1.2 力學(xué)性能

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［1］規(guī)定，測(cè)定鉤舌材料力學(xué)性能的試樣，可附鑄在鑄件(即鉤舌)上或澆注系統(tǒng)上，其力學(xué)性能應(yīng)達(dá)到表2要求;也可取自鑄件，其下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到表2規(guī)定值的80%.由于斷裂鉤舌尺寸限制，無(wú)法加工出滿足尺寸要求的試樣，因此，查找出斷裂鉤舌的同爐次的試樣的力學(xué)性能檢測(cè)記錄，結(jié)果見表2.可見，力學(xué)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但0078號(hào)鉤舌的強(qiáng)度與韌性指標(biāo)相對(duì)偏低.

表2 斷裂車鉤的力學(xué)性能

1.3 金相組織及非金屬夾雜物

從斷裂鉤舌上取樣，對(duì)金相組織和非金屬夾雜物進(jìn)行了分析，結(jié)果見表3，金相組織為正常的回火索氏體組織，非金屬夾雜物符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

表3 斷裂鉤舌的金相組織和非金屬夾雜物

2 斷裂鉤舌的斷口分析

2.1 鉤舌結(jié)構(gòu)及斷裂部位

鉤舌結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.三個(gè)鉤舌斷裂部位相同，均沿圖1中虛線ab斷裂，形成A段與B段兩部分.

圖1 鉤舌結(jié)構(gòu)及斷裂部位示意圖

2.2 宏觀斷口

0733號(hào)鉤舌A段與B段的宏觀斷口照片見圖2(a)、(b)，顯示出典型疲勞斷口的特征，其上可以看到白色虛線所分成的三個(gè)區(qū)，分別為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū).

裂紋源為線狀裂紋源，裂紋從鉤舌的下牽引臺(tái)根部外表面形成，然后呈放射狀向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋前沿線為橢圓形弧線.裂紋源區(qū)氧化、銹蝕嚴(yán)重，顏色很深，斷裂面光滑.該區(qū)未觀察到諸如夾雜物、空洞等材料內(nèi)部的宏觀缺陷.

裂紋擴(kuò)展區(qū)可見明顯的貝紋線(又稱海灘花樣)特征，氧化銹蝕顏色比裂紋源區(qū)淺，斷裂面比較光滑.隨著裂紋擴(kuò)展的進(jìn)行，貝紋線間距增大，銹蝕減弱，斷裂面粗糙度增大.

瞬時(shí)斷裂區(qū)斷裂面粗糙，為無(wú)氧化銹蝕的新鮮金屬表面.該鉤舌瞬時(shí)斷裂區(qū)尺寸較大.

0773號(hào)鉤舌B段斷口見圖2(c)，其特征與0733號(hào)鉤舌斷口完全相同.

0078號(hào)鉤舌斷口也顯示出疲勞斷裂的特征，但與0733號(hào)和0773號(hào)鉤舌相比，裂紋源區(qū)以外的斷口形貌為粗結(jié)晶體顆粒狀形貌，即具有“冰糖狀”特征［2］，裂紋擴(kuò)展區(qū)明顯減小，而未發(fā)生氧化銹蝕的瞬時(shí)斷裂區(qū)更大，見圖2(d).

圖2 鉤舌的宏觀斷口照片

2.3 微觀斷口

(1)0733號(hào)鉤舌

0733號(hào)鉤舌斷口疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的掃描電鏡照片見圖3，其上存在塑性疲勞輝紋，從微觀上證明該鉤舌屬于疲勞斷裂，而且裂紋擴(kuò)展過(guò)程中伴有較大塑性變形.觀察該鉤舌斷口的瞬時(shí)斷裂區(qū)，發(fā)現(xiàn)為大量韌窩所覆蓋.這些特征表明，0733號(hào)鉤舌材料塑性、韌性較好.

圖3 0733號(hào)鉤舌斷口疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)掃描電鏡照片

(2)0078號(hào)鉤舌微觀斷口

由于0078號(hào)鉤舌斷口上未觀察到明顯的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，因此對(duì)其瞬時(shí)斷裂區(qū)用掃描電鏡進(jìn)行了觀察，結(jié)果見圖4(a)、(b).可以看出，0078號(hào)鉤舌斷口在高倍下也很平坦，表明該鉤舌材料較脆.同時(shí)，在斷口上觀察到大量非金屬夾雜物小顆粒，例如圖4(b)中箭頭所示.對(duì)圖4(b)中箭頭所示區(qū)域的夾雜物進(jìn)行能譜分析，如圖4(c)所示，能譜分析表明該夾雜物為鋁的化合物.

圖4 0078號(hào)鉤舌斷口瞬時(shí)斷裂區(qū)掃描電鏡照片及夾雜物能譜分析

3 鉤舌斷裂原因分析

3.1 結(jié)構(gòu)與工況因素

鉤舌工作時(shí)，其上、下牽引臺(tái)與鉤體上、下牽引臺(tái)相互作用，承擔(dān)牽引載荷.由斷口分析表明，三個(gè)鉤舌斷裂均是從下牽引臺(tái)根部開始的.

圖5 鉤舌上、下牽引臺(tái)及其根部過(guò)渡圓角

由于鉤舌結(jié)構(gòu)與功能的需要，上、下牽引臺(tái)的結(jié)構(gòu)、尺寸有很大差別，見圖5.上牽引臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸較大，承載面積較大，單位面積受力相對(duì)較小.與上牽引臺(tái)相比，下牽引臺(tái)由于存在座鎖面，尺寸減小，承載面積減小，單位面積受力相對(duì)較大.同時(shí)，牽引臺(tái)根部過(guò)渡圓角半徑較小，實(shí)測(cè)僅為3～5mm，因此應(yīng)力集中程度很高.可見，下牽引臺(tái)尤其是根部尖角部位成為鉤舌最薄弱部位.通常情況下，疲勞裂紋總是選擇在零件的最薄弱部位產(chǎn)生，因此，下牽引臺(tái)根部應(yīng)是鉤舌疲勞裂紋容易萌生的部位.

從運(yùn)行工況看，力拓礦石車的鉤舌工況條件十分惡劣.我國(guó)大秦線C80B型運(yùn)煤敞車一個(gè)編組的最大牽引重量約為2萬(wàn)t，而力拓礦石車一個(gè)編組的最大牽引重量約為3萬(wàn)t，是C80B型運(yùn)煤敞車最大牽引重量的1.5倍.鉤舌在這種惡劣的運(yùn)用條件下承受著很大的牽引、沖擊及滑動(dòng)摩擦力，首先在鉤舌的最薄弱部位，即下牽引臺(tái)根部的尖角部位萌生疲勞裂紋，然后在交變應(yīng)力的作用下完成疲勞裂紋的擴(kuò)展，最后截面尺寸達(dá)到臨界值而失穩(wěn)斷裂.

從鉤舌裂紋的形成、擴(kuò)展及瞬時(shí)斷裂過(guò)程看，三件鉤舌的疲勞裂紋萌生于鉤舌的同一部位，裂紋擴(kuò)展途徑完全相同，瞬時(shí)斷裂區(qū)均較大.從鉤舌材質(zhì)看，三件鉤舌中除0078號(hào)鉤舌鋁含量偏高外，其余化學(xué)成分、組織、夾雜物、力學(xué)性能合格，裂紋源處亦未發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷.在這種情況下，裂紋將從結(jié)構(gòu)上應(yīng)力最大的薄弱部位形成并沿阻力最小的路徑擴(kuò)展.因此，鉤舌早期疲勞斷裂的主要原因是在惡劣的工況條件下鉤舌局部結(jié)構(gòu)承載能力不足.

3.2 材料因素

0078號(hào)鉤舌斷裂特征與其它兩個(gè)鉤舌有很大差別.在0733號(hào)與0773號(hào)鉤舌的斷口上，可以看到清晰的疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)，且裂紋擴(kuò)展區(qū)較大而瞬時(shí)斷裂區(qū)較小，斷口上無(wú)材料脆化特征.與此不同，0078號(hào)斷裂模式為沿晶脆斷，瞬時(shí)斷裂區(qū)面積很大，幾乎看不到疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，這應(yīng)與材質(zhì)因素有關(guān).

研究表明，沿晶斷裂的原因之一是晶界形成AlN夾雜而使晶界弱化.鋼中鋁含量高時(shí)，就可能在晶界上形成AlN沉淀物而引起沿晶脆性斷裂.例如，Al含量0.072%的鑄鋼件出現(xiàn)脆性斷裂時(shí)，斷口出現(xiàn)非常粗大的晶粒，大晶界上有沉淀物，很可能是AlN［3］.弱化晶界的AlN是從1300℃緩慢冷卻或者鑄造后緩慢冷卻中沿奧氏體晶界沉淀形成的［4］，Al含量越多，這一現(xiàn)象越嚴(yán)重，鋼中殘余鋁含量超過(guò)0.065%，這種現(xiàn)象就很嚴(yán)重［5］.

與上述報(bào)道相比，0078號(hào)鉤舌的鋁含量高達(dá)0.11%，在其粗大脆性沿晶斷面上觀察到鋁的化合物沉淀顆粒，而且0078號(hào)鉤舌的強(qiáng)度和韌性偏低.因此，Al含量過(guò)高，沿晶界形成AlN顆粒使晶界弱化，是0078號(hào)鉤舌斷裂過(guò)程加快的材料因素.

值得注意的是，0078號(hào)鉤舌沿晶斷裂單元尺寸較大，可達(dá)2～3mm(圖6(a))，而鉤舌最終熱處理為淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理后的奧氏體晶粒度為7～6級(jí)，晶粒直徑僅為0.03～0.05mm(圖6(b))，二者之間并無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系.因此認(rèn)為，斷裂晶界不是最終熱處理后的奧氏體晶界，而是粗大鑄態(tài)晶粒的晶界，弱化晶界的AlN則是鑄造冷卻過(guò)程中形成的，這與文獻(xiàn)［3］與［4］的結(jié)論是一致的.

圖6 0078號(hào)鉤舌沿晶斷裂的斷裂單元(a)與最終熱處理后的奧氏體晶粒(b)

4 結(jié)論

(1)力拓礦石車F51AE型鉤舌斷裂屬疲勞斷裂，各斷裂鉤舌的疲勞裂紋萌生部位均為下牽引臺(tái)根部外表面.由于下牽引臺(tái)承載面積較小，根部過(guò)渡圓角較小，應(yīng)力集中較大，因此結(jié)構(gòu)承載能力較低，是鉤舌在惡劣工況條件下發(fā)生早期疲勞斷裂失效的主要原因;

(2)個(gè)別鉤舌鋁含量過(guò)高，在鑄造粗大晶界上形成AlN夾雜物顆粒，弱化晶界，加快了鉤舌疲勞裂紋擴(kuò)展與斷裂過(guò)程，但這不是鉤舌斷裂失效的主要原因.

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 2942-1999鐵道用鑄鋼件采購(gòu)與驗(yàn)收技術(shù)條件［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1999.

［2］葛潤(rùn)林.ZG35鑄件“冰糖狀”斷口分析［J］.望江科技，1991(1－2):45-51.

［3］美國(guó)金屬學(xué)會(huì).失效分析與預(yù)防［M］.8版，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986:456-483.

［4］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004:113-149.

［5］朱學(xué)儀，陳訓(xùn)浩.鋼的檢驗(yàn)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1992:79-88.