張俊花，戴斌麗，賈爽，卜夢(mèng)凡，康學(xué)勤

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州技師分院，江蘇徐州 221151；2.中國礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院，江蘇徐州 221008）

0 引言

前橋是工程車輛設(shè)備中十分重要的零件，具有連接車體和車輪的作用，車輛在行駛過程中，其承受的載荷多為交變載荷，使用過程中易出現(xiàn)疲勞裂紋甚至斷裂[1-4]。這就要求其材料必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和抗破壞能力[5-6]。某礦用車前轉(zhuǎn)向橋材料為ZG310-570，加工過程為鑄造后進(jìn)行拋丸和打磨處理，然后進(jìn)行正火處理、二次拋丸和噴漆作業(yè)，最后進(jìn)行外觀及尺寸檢查。該前橋進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)過程通過載荷來進(jìn)行控制，加載波形為正玄波，頻率為3 Hz，最大加載力為-183 kN，最小加載力為-26 kN，額定循環(huán)次數(shù)為30萬次，在試驗(yàn)進(jìn)行到135 721次時(shí)出現(xiàn)開裂。與使用過程中車橋所處工作環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜導(dǎo)致的開裂不同，本次開裂是在臺(tái)架試驗(yàn)中產(chǎn)生的，所得結(jié)論對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量分析和標(biāo)準(zhǔn)制定具有重要的指導(dǎo)意義。劉瑜等[7]對(duì)42CrMo汽車前橋在臺(tái)架疲勞試驗(yàn)中的早期開裂進(jìn)行過分析，開裂的原因是由于粗糙的磨痕引起的偶發(fā)事件。本文通過宏觀、掃描電鏡、化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織等分析方法對(duì)開裂零件進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，尋找開裂產(chǎn)生的原因，并提出預(yù)防措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 樣品宏觀檢驗(yàn)

圖1為前橋結(jié)構(gòu)及斷裂位置示意圖，圖1中左右兩端為臺(tái)架試驗(yàn)固定位置，中部箭頭所示區(qū)域?yàn)榻蛔冚d荷F加載位置。從圖中可以看到，開裂發(fā)生在前橋右側(cè)拐角處，圖2中實(shí)物照片顯示出裂縫下寬上窄，從下向上擴(kuò)展，前橋上部尚未完全斷開。

圖1 前橋結(jié)構(gòu)示意圖及斷裂位置圖

圖2 前橋斷裂位置和斷裂形貌圖

1.1.1 斷口宏觀形貌分析

圖3為開裂前橋分開后的裂紋斷口形貌圖，從圖中可以看出試驗(yàn)過程中開裂形成的斷口無明顯塑性變形，屬于宏觀脆性斷裂。斷口表面較粗糙，左下部區(qū)域較平整，有明顯的放射線，斷口為臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)加載過程中形成的疲勞斷口，根據(jù)放射線的方向，可知左下腳區(qū)域?yàn)閿嗔言磪^(qū)。斷口右上部區(qū)域起伏較大，為臺(tái)架試驗(yàn)過程中裂紋在循環(huán)加載力作用下快速擴(kuò)展形成的斷裂區(qū)。圖3中右側(cè)圖為左側(cè)圖中裂紋源區(qū)的局部放大圖，從圖中可以看到斷裂源區(qū)顏色較深且存在細(xì)小的撕裂棱，根據(jù)撕裂棱形貌可知裂紋源在圖3右側(cè)圖中試樣的左側(cè)表面。結(jié)合圖3左側(cè)圖可知裂紋源區(qū)在前橋左側(cè)面下部區(qū)域，臺(tái)架試驗(yàn)中前橋在26～183 kN的壓應(yīng)力作用下循環(huán)，試驗(yàn)過程中前橋下表面受到的拉應(yīng)力最大，試驗(yàn)過程中前橋截面受力從下向上逐漸降低，裂紋源卻出現(xiàn)在了受力最大的左下角和受力較低的左側(cè)面下部區(qū)域，需要對(duì)裂紋源表面的形貌及組織進(jìn)行觀察和檢驗(yàn)。

在圖3 中的裂紋源側(cè)面取樣進(jìn)行分析，將該試樣放到超聲波中用無水乙醇清洗掉側(cè)面的白色涂料，露出底部紅色的涂料，將紅色涂料剝落后顯示出前橋裂紋源區(qū)側(cè)面的表面形貌（如圖4（a）），從圖中可以看出前橋左側(cè)表面布滿了凹坑，非常粗糙，根據(jù)凹坑的形貌可以判斷其是在拋丸過程中形成的。對(duì)比拋丸表面粗糙度比較樣塊，其粗糙度達(dá)到25～50 μm。圖4（b）為前橋下側(cè)表面形貌圖，從圖中可以看出，前橋下側(cè)表面也布滿了凹坑，表面明顯有打磨的痕跡，對(duì)比拋丸表面粗糙度比較樣塊，其粗糙度為6.3～12.5 μm。該前橋零件要求圖2（a）中加強(qiáng)筋側(cè)面和前橋下側(cè)表面的粗糙度不高于12.5 μm?？芍皹騻?cè)面粗糙度不滿足要求，下側(cè)表面打磨后粗糙度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求值。

圖3 前橋斷面和斷裂源區(qū)形貌圖

圖4 前橋左側(cè)表面和下側(cè)表面形貌圖

1.1.2 斷口微觀形貌分析

將超聲清洗后的試樣放到掃描電鏡（SEM）中進(jìn)行微觀形貌觀察，圖5為裂紋源區(qū)低倍和高倍SEM圖，從圖中可以看出裂紋源區(qū)為穿晶斷裂，在斷口表面形成與珠光體對(duì)應(yīng)的層片狀形貌。圖6為裂紋擴(kuò)展區(qū)的低倍和高倍SEM圖，從圖中可以看到交變應(yīng)力作用下，斷口表面留下的疲勞輝紋[5-6]。

圖5 裂紋源區(qū)低倍和高倍掃描電鏡圖

圖6 裂紋擴(kuò)展區(qū)低倍和高倍掃描電鏡圖

1.2 材料成分測(cè)試

從開裂前橋中取樣進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。從表中可以看出鑄鋼中C、Si、Mn、S、P等化學(xué)元素符合GB/T 11352-2009標(biāo)準(zhǔn)中ZG 310-570材料的要求。

表1 鑄鋼化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試表%

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

在前橋水平段（圖2（a）中A區(qū)域）取樣按照GB/T 228.1-2010進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，材料的拉伸性能測(cè)試結(jié)果見表2。從表中可以看出，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率滿足國標(biāo)GB/T 11352-2009中的要求值。

表2 鑄鋼拉伸性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

1.4 金相檢驗(yàn)

在裂紋源處取樣，研磨拋光后用4 %硝酸酒精溶液腐蝕，用光學(xué)顯微鏡對(duì)其金相組織進(jìn)行觀察。圖7為前橋側(cè)面裂紋源區(qū)處的金相組織圖，從圖中可以看到前橋表面金相組織為F+P，靠近表面位置由于鑄造和正火過程中出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，F(xiàn)增多，P減少。前橋表面完全脫碳層厚度約為0.2 mm，總脫碳層厚度約為0.5 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)中要求的總脫碳層厚度≤0.5 mm。圖8為前橋基體金相組織圖，該零件金相組織為正火后形成的等軸狀F+P，珠光體片層細(xì)密，力學(xué)性能較好。

圖7 前橋表面和內(nèi)部金相組織圖

圖8 前橋基體低倍和高倍金相組織圖

2 結(jié)果分析

根據(jù)前面的理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，前橋材料化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。該零件在鑄造成型后進(jìn)行了拋丸和打磨處理，正火處理后進(jìn)行了二次拋丸處理。拋丸過程中在鑄件表面產(chǎn)生了較大的塑性變形，形成大量凹坑，使鑄件表面的粗糙度增大，達(dá)到25～50 μm，超過了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求值（≤12.5 μm）。鑄件下側(cè)表面由于在拋丸后進(jìn)行了簡(jiǎn)單的打磨處理，降低了表面的粗糙度，滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求。

一般來說，材料表面的質(zhì)量對(duì)機(jī)械零件疲勞壽命影響較大[8-9]，拋丸后零件表面的粗糙度越大，應(yīng)力集中就越嚴(yán)重，疲勞試驗(yàn)過程中零件疲勞裂紋源的萌生周期越短，零件的疲勞壽命越短或疲勞強(qiáng)度越低[10-11]。前橋左右拐角處的下表面是受力最大部位，該部位在拋丸后進(jìn)行了打磨處理，降低了該部位的粗糙度，提高了該部位的受力水平和疲勞壽命。臺(tái)架試驗(yàn)過程中疲勞裂紋源在與受力最大部位接近且表面粗糙度較高的前橋左右拐角處側(cè)面出現(xiàn)，裂紋源區(qū)形成后在交變應(yīng)力作用下進(jìn)一步擴(kuò)展形成裂紋擴(kuò)展區(qū)，最終導(dǎo)致前橋在疲勞試驗(yàn)過程中循環(huán)到13萬次時(shí)出現(xiàn)開裂。

對(duì)同批次前橋左右拐角處側(cè)面的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)均存在粗糙度較高的現(xiàn)象，對(duì)該處表面進(jìn)行打磨處理后，再對(duì)同批次前橋零件進(jìn)行垂直加載臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，循環(huán)30萬次后未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論及建議

前橋開裂的斷口為典型的疲勞斷口，前橋表面存在拋丸過程中形成的大量凹坑，前橋側(cè)面的粗糙度增加，大幅度降低了疲勞斷裂中裂紋源的萌生周期，降低了前橋的疲勞壽命。前橋左右拐角處的下表面雖然是受力最大部位，但是在拋丸后對(duì)這些部位進(jìn)行了打磨處理，增加了表面的光潔度進(jìn)而提高了該處的受力水平和疲勞壽命。導(dǎo)致疲勞裂紋源在與受力最大部位接近且表面較粗糙的側(cè)面出現(xiàn)。

建議生產(chǎn)過程中加強(qiáng)鑄件關(guān)鍵部位質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)前橋左右拐角部位的側(cè)面進(jìn)行打磨處理，降低該部位的粗糙度，提高鑄件質(zhì)量和疲勞壽命。