田萬英 ， 朱向楠 ， 姜程香 ， 師紅旗

（1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

某手扶拖拉機(jī)在使用中出現(xiàn)電機(jī)冷卻水管漏水的情況，漏水的電機(jī)冷卻水管由不銹鋼管與鋁制電機(jī)殼體通過過盈配合技術(shù)壓制而成，不銹鋼水管材料為X5CrNi18-10。在行駛過程中，冷卻水管出現(xiàn)了漏水的情況，打開后發(fā)現(xiàn)在水管與殼體連接處發(fā)生了斷裂。為了找出斷裂的原因，對(duì)斷裂后的電機(jī)冷卻水管進(jìn)行了失效原因分析。

1 試驗(yàn)方法

采用線切割對(duì)斷裂的冷卻水管進(jìn)行切割取樣，采用SPECRTOMAXx-BT直讀光譜儀對(duì)冷卻水管進(jìn)行化學(xué)成分分析，采用體視顯微鏡對(duì)斷裂的冷卻水管進(jìn)行了宏觀低倍分析，采用金相顯微鏡觀察金相顯微組織形貌，金相侵蝕液為草酸電解液。采用掃描電子顯微鏡對(duì)冷卻水管斷口形貌進(jìn)行掃描分析，另外通過掃描電鏡中EDS探頭對(duì)冷卻水管微區(qū)化學(xué)成分進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌分析

斷裂管斷裂位置如圖1（a）所示，從圖1（a）可以看出，斷裂位置位于冷卻管與鋁制電機(jī)殼體連接處，該處應(yīng)力集中，受力最大。斷裂管道斷口宏觀形貌照片如圖1（b）所示，從圖1（b）中可以看出，斷口右上角比較平整，可以確定該處為斷裂管的斷裂源，左下角斷口比較粗糙，且斷口表面有很多臺(tái)階狀的特征，斷裂粗糙區(qū)是由于受力過大源區(qū)為正上方，斷裂形式為多源疲勞斷裂[1]。

圖1 斷裂位置及閥桿斷口宏觀形貌照片

斷裂源附近局部放大照片如圖2所示，從圖2中可以看出，在管壁的外表面有一圈剪切唇存在，說明外表面最后斷裂，即該不銹鋼水管的斷裂過程為從內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展，且剪切唇區(qū)約占斷口總面積的5%，說明引起斷裂的應(yīng)力很小，不銹鋼冷卻水管的斷裂模式為低應(yīng)力高周疲勞斷裂。在疲勞源附近的內(nèi)表面有明顯的劃痕存在，且每個(gè)劃痕對(duì)應(yīng)一個(gè)疲勞臺(tái)階，說明內(nèi)表面的劃痕為疲勞源發(fā)生疲勞斷裂，結(jié)合該處為彎頭處，該處制備過程需要彎管[2-4]，該劃痕形成的原因可能為彎管時(shí)被彎管模具劃傷。

圖2 斷裂源附近宏觀形貌照片

2.2 化學(xué)成分分析

不銹鋼管化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，從表1中可以看出，除Ni含量偏低，其他成分均符合德國DIN 17440 （2006）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的X5CrNi18-10不銹鋼化學(xué)成分要求，可以確定材料選擇無誤。

表1 不銹鋼管化學(xué)成分分析結(jié)果（wt.%）

2.3 金相顯微組織分析

斷裂不銹鋼管基體金相顯微組織照片如圖3所示，從圖3中可以看出，不銹鋼管有纖維組織存在，纖維組織是由于加工塑性變形而產(chǎn)生的，說明加工后退火不充分。從圖3高倍金相顯微組織照片中可以看出，盡管高倍下晶界不明顯，但局部仍然可以看到孿晶組織存在，說明基體為奧氏體組織。

圖3 不銹鋼基體金相顯微組織照片

斷裂源附近金相顯微組織照片如圖4所示，從圖4中可以看出，斷裂源附近有凹坑存在，凹坑深度約13 μm，這也與宏觀照片中疲勞源附近的劃痕相對(duì)應(yīng)。與基體組織相比，凹坑附近的晶粒內(nèi)部可以觀察到明顯的滑移帶和形變組織，滑移帶和形變組織主要是由于大的塑性變形所致，說明凹坑附近受力較大[5-8]。因此凹坑形成原因與彎管加工工藝有關(guān)，主要是由于與管內(nèi)壁接觸的芯棒摩擦所致。

圖4 疲勞源附近金相顯微組織照片

2.4 顯微硬度測(cè)試結(jié)果

顯微維氏硬度測(cè)試結(jié)果如表2所示，從表2中可以看出，斷裂源附近顯微硬度平均測(cè)試結(jié)果為384HV0.2鋼管心部平均顯微硬度平均測(cè)試結(jié)果為355 HV0.2，顯微硬度測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步表明由于與芯棒接觸，該處受到的加工硬化更大，硬度更高。

表2 顯微維氏硬度測(cè)量結(jié)果 單位：HV0.2

2.5 SEM微觀形貌分析結(jié)果

斷口SEM微觀形貌照片如圖5所示，從圖5中可以看出，疲勞源區(qū)有反復(fù)碾壓的痕跡，證明不銹鋼水管的斷裂機(jī)制為疲勞斷裂；擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞輝紋存在，也證明該不銹鋼水管的斷裂機(jī)制為疲勞斷裂[9-11]。

圖5 斷口SEM微觀形貌照片

2.6 EDS微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果

疲勞源區(qū)EDS微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果如圖6、表3所示，從EDS微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果可以看出，疲勞源區(qū)主要化學(xué)成分來自不銹鋼和O元素，未見腐蝕性強(qiáng)的S元素和Cl元素存在，可以進(jìn)一步證明該不銹鋼水管斷裂的原因?yàn)槠跀嗔?，與腐蝕關(guān)系不大[12]。

圖6 疲勞源區(qū)微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果

表3 疲勞源區(qū)微區(qū)化學(xué)成分分析結(jié)果

3 結(jié)論

1）不銹鋼冷卻水管斷裂的原因?yàn)槠跀嗔选?/p>

2）由于彎管過程中芯棒與鋼管接觸處形變不均勻，導(dǎo)致不銹鋼水管內(nèi)表面有加工劃痕。

3）斷裂源區(qū)的加工劃痕增加了疲勞斷裂發(fā)生的概率。