王邦倫 朱協(xié)彬 王邦碩 黃仲佳

(安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

HT200加力器異常斷裂失效分析

王邦倫 朱協(xié)彬 王邦碩 黃仲佳

(安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

為了解決某機械廠HT200鑄件異常斷裂的問題，從化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織等方面對HT200灰鑄鐵進行檢驗分析。分析表明，異常斷裂的鑄件中存在縮孔疏松、石墨粗大、珠光體含量低等缺陷，導(dǎo)致了鑄件硬度和抗拉強度下降，從而使鑄件易在外界機加工力作用下斷裂失效。

灰鑄鐵； 斷裂失效； 力學(xué)性能； 金相分析； 縮孔

HT200鑄件的抗拉強度和塑性較低，但鑄造性能和減震性能較好，多用來鑄造汽車發(fā)動機汽缸、汽缸套、車床床身等承受壓力及振動的部件[1]。某機械廠的加力器零件采用HT200鑄件所鑄造，主要應(yīng)用于工程機械裝載機、推土機、挖掘機及重型汽車氣頂液制動系統(tǒng)中，將從氣制動閥出來的低氣壓轉(zhuǎn)化為制動器所需要的高液壓。近期，該廠在裝配加力器的過程中出現(xiàn)了多起HT200鑄件異常斷裂事故，嚴重影響生產(chǎn)。

為了找到鑄件異常斷裂的原因，本次研究將異常斷裂試樣(記為1#試樣)與前期生產(chǎn)的正常試樣(記為2#試樣)進行對比分析。根據(jù)GBT 9439 — 2010《灰鑄鐵件》、GBT 7216 — 2009《灰鑄鐵金相檢驗》等國家標準，對HT200灰鑄鐵的化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織進行檢驗分析[2-3]。

1 化學(xué)成分分析

圖1所示為HT200加力器零件實物圖，斷裂位置的壁厚約10 mm。取1#試樣，從圖1左側(cè)斷口附近切取5塊小試樣，用于化學(xué)成分檢驗；取2#試樣，先用切割機按圖1(右)虛線位置切斷，后從與1#試樣類似位置切取5塊小試樣。

采用不同方法測定5種主要元素的含量：C，采用堿石棉吸收重量法測定；Si，采用高氯酸脫水重量法測定；Mn，采用亞砷酸鈉-亞硝酸鈉滴定法測定； S，采用硫酸鋇重量法測定；P，采用二安替比林甲烷磷鉬酸重量法測定。

圖1 HT200加力器零件實物圖

表1所示為 HT200灰鑄件中各元素的質(zhì)量分數(shù)。可以看出，1#、2#試樣的化學(xué)成分相近，且各元素質(zhì)量分數(shù)均在規(guī)定范圍之內(nèi)[4]。

2 力學(xué)性能檢測

2.1 布氏硬度測定

根據(jù)國標關(guān)于硬度檢測的規(guī)定，將1#、2#試樣的斷口先置于砂輪上進行粗磨，后置于500#砂紙上進行細磨，最后使用200HB-3000型布氏硬度計沿斷面均勻測定10個點的硬度。國標規(guī)定布氏硬度的合格范圍為150～230 HBW，表2所示為布氏硬度(HBW)檢測統(tǒng)計結(jié)果。

表2 布氏硬度(HBW)檢測統(tǒng)計結(jié)果

由表2可知，1#試樣平均硬度遠低于2#試樣，1#試樣總體硬度不合格；1#試樣硬度標準差大于2#試樣，1#試樣硬度分布不均勻；1#試樣只有極少部分位置硬度達標，2#試樣絕大部分位置硬度都達標。

2.2 抗拉強度測定

3 金相組織觀測

按照國標要求，鑄件中不允許存在影響鑄件使用性能的鑄造缺陷，如裂紋、冷隔、縮孔等，基體金相組織應(yīng)為珠光體[5]。珠光體含量最好大于95%，石墨類型最好為A型[6]。

表3 抗拉強度檢測結(jié)果

從1#、2#試樣斷口處各切取一塊小試樣，先用碳化硅金相砂紙磨制，再用海軍呢拋光布拋光(拋光劑為氧化鋁)，制得拋光態(tài)試樣，然后在奧林巴斯金相顯微鏡放大100倍觀察。圖2所示為試樣的拋光態(tài)金相照片。對拋光態(tài)試樣，用質(zhì)量分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，再在奧林巴斯金相顯微鏡下放大100倍觀察。圖3 所示為試樣的腐蝕態(tài)金相照片。

由圖2可知，1#試樣中有初生的粗大直片狀石墨，石墨類型為C型，石墨長度為1級(國標中將石墨長度分成8個等級，1級最長，8級最短)，較多的黑色小點為疏松，圓形的大黑斑為縮孔，有一條沿著縮孔擴展的裂紋；2#試樣的細小片狀石墨呈無方向性均勻分布，石墨類型為A型，石墨長度為3級，黑色小點的疏松程度較輕，無裂紋縮孔。

由圖3可知，2#試樣腐蝕后，其中的黑色珠光體含量高于1#試樣。使用金相分析軟件測定珠光體含量：1#試樣中珠光體質(zhì)量分數(shù)為90.3%，2#試樣中珠光體質(zhì)量分數(shù)為94.2%。白色部分主要為鐵素體，還有少量的碳化物和磷共晶。表4所示為試樣金相組織分析統(tǒng)計表。

圖2 試樣的拋光態(tài)金相照片

圖3 試樣的腐蝕態(tài)金相照片

試樣石墨類型石墨長度分級珠光體質(zhì)量分數(shù)∕%疏松程度縮孔裂紋1#C型1級90.3較重有有2#A型3級94.2較輕無無

4 斷裂失效分析

對比2種試樣的金相組織，可以看出，1#試樣存在較嚴重的縮孔和疏松，破壞了金屬基體的連續(xù)性，降低了有效承載面積，使得鑄件的橫向塑性和韌性下降。更為重要的是，當鑄件加工裝配過程中受到外力作用時，氣孔附近易引起應(yīng)力集中而成為裂紋源，粗大石墨自身及其與基體的結(jié)合強度低而促使裂紋源沿著粗大的石墨進一步擴展[7-9]。

1#、2#試樣雖然化學(xué)成分相近且都合格，但1#試樣中的C元素主要以粗大的石墨形式存在，而基體中固溶的C元素偏少，導(dǎo)致硬相組織珠光體含量較少而軟相組織鐵素體相對較多，進而引發(fā)硬度和抗拉強度的下降。這與力學(xué)性能的檢測結(jié)果完全一致。1#試樣力學(xué)性能較差無法抵抗外界較大的作用力，當受到外力作用時，氣孔附近的微裂紋將快速擴展為宏觀大裂紋，最終使得鑄件斷裂[10]。圖4所示為異常HT200鑄件斷裂過程機理圖。

5 結(jié) 語

此次檢測結(jié)果如下：化學(xué)成分測定顯示，1#、2#試樣都合格；力學(xué)性能分析顯示，1#試樣硬度和抗拉強度都不達標，2#試樣都達標。金相組織分析顯示：1#試樣石墨較粗較長，珠光體含量較低，疏松較嚴重，且有縮孔和裂紋；2#試樣金相組織明顯較好。

圖4 異常HT200鑄件斷裂過程機理圖

鑄件斷裂機理是，縮孔應(yīng)力集中形成裂紋源，裂紋源沿著粗大的直片狀石墨擴展為微裂紋，在由石墨粗大、珠光體含量低、疏松嚴重等原因引起的鑄件力學(xué)性能下降和外界機加工力綜合作用影響下，微裂紋快速擴展為宏觀裂紋進而造成鑄件斷裂失效。

HT200加力器鑄件斷裂的原因是縮孔疏松、石墨粗大、珠光體含量低，鑄件硬度和抗拉強度不合格。

[1]

[10] BERTO F，CENDON D A，ELICES M.Fracture behavior under torsion of notched round bars made of gray cast iron[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2016，84(S1)：157-165.

Fracture Failure Analysis of an HT200 Assistor

WANGBanglunZHUXiebinWANGBangshuoHUANGZhongjia

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China)

In order to study the causes of the fracture of HT200 castings in a factory, the chemical composition, mechanical properties and microstructure of grey cast iron HT200 were tested and analyzed. The results show that the abnormal castings have defects such as shrinkage cavity, coarse graphite and low pearlite content, which leads to the decrease of hardness and tensile strength of the castings, and the fracture failure of castings is easy to happen under the external mechanical force.

grey cast iron; fracture failure; mechanical properties; metallographic analysis; shrinkage cavity

2017-03-13

國家自然科學(xué)基金項目“納米草修飾微孔或凸包陣列的分級織構(gòu)化光學(xué)薄膜研究”(51205001)；安徽省高等教育提升計劃自然科學(xué)研究項目“HSLA鋼熱裝裂紋的形成機理及預(yù)防措施研究”(TSKJ2017B08)；安徽工程大學(xué)青年科研基金項目“顯微組織對微合金鋼直裝裂紋影響的實驗研究”(2016YQ32)；安徽工程大學(xué)再制造研究中心開放課題基金項目“微合金鋼直裝鑄坯表面組織優(yōu)化及其熱處理工藝的研究”(RMSE201610)；安徽省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“相變對微合金鋼晶粒尺寸及力學(xué)性能影響的實驗研究”(20161036300146)

王邦倫(1985 — )，男，碩士，實驗師，研究方向為金屬材料熱處理組織與性能。

TG115

A

1673-1980(2017)04-0068-04