上官琪 許征兵 朱斌強 張 璇
(1.廣西柳工機械股份有限公司,廣西 柳州 545007;2.廣西大學(xué)廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室,廣西 南寧 530004)
失效廣泛存在于現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中,該狀況會導(dǎo)致產(chǎn)品服役期內(nèi)功能、性能降級或喪失[1]。該文針對某型工程機械穿孔桿類零件失效事件,開展了全面的檢驗與分析。在宏觀斷口分析基礎(chǔ)上,對零件的各部位取樣,進行了金相檢驗、維氏硬度測試和表面探傷。根據(jù)疲勞極限模型對零件壽命進行了估算,結(jié)合失效件的斷裂受力分析、工藝調(diào)查、殘余應(yīng)力以及疲勞分析結(jié)果,提出結(jié)構(gòu)改進和工藝調(diào)整的建議。
穿孔桿類零件作為工程機械常用的一種零件,被廣泛用于機構(gòu)的連接,在承擔(dān)結(jié)構(gòu)強度的同時,通常利用徑向孔承擔(dān)潤滑補油的作用。穿孔桿類零件失效的主要失效模式是斷裂,在以往的失效分析中,僅強調(diào)對宏觀裂紋的觀察和分析[2]。該文擬以某工程機械穿孔桿零件斷裂失效為案例,對穿孔桿類零件失效分析展開探討。根據(jù)市場反饋,某型用于工作裝置的穿孔桿零件連續(xù)發(fā)生斷裂事故,斷裂時的工作時間集中在65h~1200h,失效多表現(xiàn)為徑向油孔處斷裂。經(jīng)斷口和外觀檢查,初步確定為疲勞斷裂,為進一步確定原因,該文任意抽取了4 件穿孔桿類零件產(chǎn)品,對孔口位置斷口處進行了宏觀斷口分析、金相檢驗和維氏硬度測試,以研究疲勞斷裂的機理及原因。同時以孔口位置為研究對象,根據(jù)疲勞極限模型,對零件壽命進行了估算,估算結(jié)果與實際統(tǒng)計趨勢相符,證明了失效機理的正確性。
根據(jù)產(chǎn)品的工作特點及設(shè)計、加工要求,系統(tǒng)梳理了適用于穿孔桿零件的失效分析流程,并將其標(biāo)準(zhǔn)化。分析步驟為服役信息收集、斷口宏觀分析、原材料成分檢查、金相組織調(diào)查、零件受力分析、熱處理工藝調(diào)查、表面狀態(tài)調(diào)查、疲勞壽命分析,失效分析流程圖如圖1 所示。
圖1 失效分析流程圖
4 件樣本中,1#、4#樣件為故障現(xiàn)場返回的失效件,2#、3#樣件為同批次生產(chǎn)的正常件。失效零件斷裂位置集中于中間孔處,穿孔桿斷裂后如未能及時發(fā)現(xiàn),極易引起安全事故。斷口處外觀呈銀亮光澤,無氧化色,斷口清晰。
將1#、4#樣件從斷裂位置打開,為便于對比分析,將2#、3#樣件同樣從中油孔處打開。宏觀斷口照片顯示,斷裂屬典型的彎曲疲勞斷裂,呈現(xiàn)油孔口的疲勞源、中部的疲勞裂紋擴展區(qū)和油孔尾部瞬間斷裂區(qū)3 個區(qū)域。圖2 所示為1#和2#樣件的油孔口斷面圖。油孔口附近均有表面淬火加熱痕跡,鉆孔后內(nèi)表面粗糙不平,殘留深淺不一的加工臺階痕跡,尖角引起應(yīng)力集中,導(dǎo)致裂紋首先在此起源。加工臺階刀痕成為多個裂紋源,裂紋源距加工油孔口表面3mm~5mm,距離表面越近受力越大,形成扇形裂紋擴展區(qū)。孔口倒角表面粗糙度高,刀痕尖端在表淬時極易引起應(yīng)力集中甚至淬火裂紋[3]。
圖2 油孔口宏觀斷面
1.4.1 成分檢查
已知零件使用的原材料為40Cr 鋼。化學(xué)成分分析(wt.%)結(jié)果顯示,合金化學(xué)成分符合要求,可排除原材料因素。
1.4.2 硬度及金相檢查
對樣件進行硬化層深度、硬度、組織等檢驗結(jié)果顯示。見表1,零件表面淬火有效硬化層深、表面硬度均符合要求。
表1 樣件表面、心部硬度及組織
對某工程機械工作時實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),機構(gòu)運作過程中,零件主要承受循環(huán)彎、剪載荷,作用力為來自下方的F1 和對稱作用力F2、F3(圖3)。CAE 模擬分析結(jié)果顯示,載荷施加面為中部下表面,在油孔口部位存在應(yīng)力集中,且應(yīng)力集中一直延伸至內(nèi)部油道1/3 處,應(yīng)力最大值為240 MPa。
圖3 零件受力情況
零件制造工藝為下料—調(diào)質(zhì)—機加(車、鉆)—表面淬火回火—機加(磨)—焊耳板(如需要)—涂裝(如需要)。熱處理技術(shù)要求為調(diào)質(zhì)處理后心部組織硬度229HB~302HB;硬化層深3 mm~5 mm,硬度范圍48HRC~55HRC。。經(jīng)核查,樣件表面硬化層深度均屬合理范圍,心部組織硬度也表現(xiàn)正常,但工藝記錄顯示1#、4#樣件表面淬火后未經(jīng)回火處理。
為進一步確定回火工序?qū)Ρ砻嫖⒘鸭y起源的影響,聯(lián)系前文的分析結(jié)果,將調(diào)查的重點轉(zhuǎn)移到裂紋源的產(chǎn)生。觀察失效件孔口附近斷口發(fā)現(xiàn),油孔孔口倒角表面粗糙程臺階狀,淬火時易在臺階底部形成裂紋(圖4)。
圖4 孔口位置照片
為確定裂紋的起源,對零件孔口位置殘余應(yīng)力檢測和表面探傷。檢測點為油道孔口截面法向方向,及油道內(nèi)距孔口3 mm~5 mm 處(圖5)。殘余應(yīng)力的檢測結(jié)果顯示,在未經(jīng)回火處理的1#、4#樣件孔口附近存在劇烈的應(yīng)力變化,以壓應(yīng)力為主。而經(jīng)過回火處理的2#、3#樣件孔口附近應(yīng)力變化情況則較小。初步可以判定,熱處理工藝的差異,是導(dǎo)致孔口位置表面應(yīng)力劇烈變化的原因。而表面應(yīng)力的劇烈變化,則是裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展的主要驅(qū)動能量來源(表2)。
圖5 X 射線殘余應(yīng)力檢測點
表2 殘余應(yīng)力檢測結(jié)果
為確認殘余應(yīng)力的分析結(jié)果,對失效樣件和同批次生產(chǎn)的正常件均進行了表面探傷。發(fā)現(xiàn),在未經(jīng)回火處理的1#、4#樣件孔口處有明顯的裂紋缺陷(圖6),但同批次生產(chǎn)的正常件則未發(fā)現(xiàn)有裂紋。可確定油孔口裂紋的產(chǎn)生與否,與表面淬火后是否經(jīng)回火處理有直接關(guān)系。
圖6 樣件表面探傷
材料力學(xué)方法是目前疲勞研究或應(yīng)用中被最廣泛應(yīng)用的方法,可描述應(yīng)力振幅和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。根據(jù)機械零件疲勞極限的計算方法[4-5],對40Cr 穿孔桿零件應(yīng)力疲勞情況進行分析,將孔口位置應(yīng)力最大值代入公式,計算循環(huán)次數(shù)最少約為9.3×104次。按照40s 一次工作循環(huán)計算,估算零件的使用時間約為1100h,而零件失效時間集中于65h~1200h,壽命估算結(jié)果與工程實際情況相吻合。
通過對穿孔桿類零件失效的基本特征分析可得,油孔口處缺口效應(yīng)及熱處理工序失控導(dǎo)致組織不合格,是造成早期失效的內(nèi)在原因。因此,建議采取以下措施:1)降低孔口出的應(yīng)力集中系數(shù)。調(diào)整孔口位置及桿徑,避開主承力面,提高零件抗載荷能力;控制油道機加表面粗糙度,提高疲勞極限值。2)嚴控?zé)崽幚磉^程。控制調(diào)質(zhì)及表面淬火后回火工序,保證桿類零件的內(nèi)部熱處理組織合格,避免微裂紋產(chǎn)生。同時,在完成熱處理后應(yīng)進行殘余應(yīng)力檢測和表面探傷。