活塞杆突然断裂怎么办？|163

这是金属加工（mw1950pub）发布的第10238篇文章

导读

活塞杆在生产过程中开裂事故虽不常发生，但也不少见。开裂的原因是什么？怎样预防？或许你能从这篇文章中得到启发。

摘要：某型号45钢制活塞杆在生产中出现批量开裂事故。通过断口形貌观察、金相检验、力学性能测试和扫描电镜分析等手段对活塞杆开裂原因进行了研究。结果表明：活塞杆的裂纹性质为矫直过程中发生的感应层脆性开裂，而矫直断裂的原因则是由于活塞杆在感应加热淬火时移动速度不协调，导致硬化层出现软带，使得表面硬度和有效硬化层深度波动范围大大超出标准要求，且软带区处于残余拉应力状态，在矫直应力的作用下萌生裂纹。

45钢作为一种优质碳素钢，调质处理后硬度可控范围宽，综合性能较好，但由于淬火性能一般，常需要对其进行中高频或火焰表面淬火等，这样就能得到高的表面硬度和良好的心部韧性之间的配合。

例如，高频淬火的“超硬度”现象，表面硬度可达62～66HRC，不仅大大提高了工件的耐磨性和疲劳抗力，而且缺口敏感性较小，曲轴和活塞杆类零件多采用此类工艺。目前，活塞杆的研究多集中在疲劳寿命和模态分析等领域，而造成其早期断裂失效的原因则大多是由于热处理工艺不当导致的。

某单位生产的活塞杆型号为φ110mm×1000mm，材质为45钢，制造工艺流程：棒材→调质→矫直1→车外圆→高频感应淬火+低温回火→矫直2→精磨→电镀铬→抛光。检查时发现10%的成品存在开裂现象，且裂纹呈轴向趋势扩展。

本文通过断口宏微观形貌观察、能谱分析、金相检验及硬度测试等方法对断裂活塞杆进行了详细的分析，并最终确定了活塞杆断裂的根本原因。

01 试验过程与结果

（1）化学成分分析

活塞杆化学成分分析结果如表1所示，满足标准要求。

表1 活塞杆化学成分分析结果(质量分数) （%）

（2）宏微观形貌检查及能谱分析

活塞杆宏观形貌如图1a所示，开裂处见图中红色虚线区域，裂纹整体沿轴向分布，深度未知，总长约50mm，周围光亮无异常，未见氧化、腐蚀、磕碰及擦伤等现象。

图1 活塞杆外观及断口宏观形貌（a）

将开裂区域线切割取下采用三点弯曲方法打开进行断口观察，如图1b所示，从中可看出：断口包括深色旧裂纹区和银灰色新鲜的人为打开断口区；值得注意的是，旧裂纹面整体呈波浪状，且“波浪”为等距分布，测量显示波峰对应的最大深度约2mm，这与表面感应层相近。

图1 活塞杆外观及断口宏观形貌（b）

将图1 b中断口采用无水乙醇超声波清洗后放入扫描电镜中观察微观形貌并进行能谱分析，结果如图2、表2所示。

图2 断口微观形貌检查结果

表2 能谱分析（质量分数）（%）

从中可看出：

①旧裂纹区与人为打开断口区的界限分明，呈波浪状，这与宏观检查一致，且每节波形宽度约8mm，最大深度约2mm，波形与波形之间的交汇台阶清晰可见。

②旧裂纹面靠近表面的局部区域检查发现有熔融态的铬成分，说明活塞杆在电镀前已经发生开裂。

③旧裂纹面微观形貌包括较为明显的两个区域，靠近表层约1mm范围为沿晶断裂特征，断面存在大量晶间裂纹，说明该区应力较大，次表层约1mm范围则以等轴韧窝为主，表现为拉应力作用下开裂。

（3）低倍及显微组织分析在开裂处附近沿图1a中黄色虚线取样进行横截面低倍腐蚀试验，检验结果如图3a、表3所示，裂纹仅存在于感应层范围内，与前述分析一致。

图3 低倍检验

表3 低倍检查

沿图1a中绿色虚线取样进行纵截面低倍腐蚀试验，如图3b所示，感应层呈波浪形分布，波形之间界限清晰。仔细观察发现，波形之间的交界区与感应层和基体之间的交界区宏观腐蚀后同显灰白色，推测感应淬火层轴向存在不连续现象。

对图3 b中试样进行金相检验，结果如图4所示，从图中可得出以下结论：

图4 金相检验结果

①活塞杆镀铬层均匀、连续，厚度约16μm，满足产品技术要求（≥15μm）。

②波浪形区域组织为回火马氏体，表面硬度约54HRC(由距离表面100μ m处HV1转换)，有效硬化层深度约1.6mm，二者均低于技术要求（≥55HRC、 ≥1.8mm）。

③值得提出的是，波浪形交界处组织同感应层与基体过渡区，为回火马氏体+屈氏体+较多量先析铁素体，表现为亚温淬火组织特征，该区表面硬度仅为400HV1，远低于正常区域的575HV1，而JB/T 9201—2007明确规定对于表面硬度大于500HV的单件产品，维氏硬度差值不得大于85HV1，对于有效硬化层深度在1.5~2.5mm的单件产品，层深波动范围不得大于0.4mm。

④仔细观察发现，感应层次表面（1.5~2mm范围）组织为屈氏体+断续网状铁素体，仍保持调质态组织特征，这也是该区微观形貌为韧窝的主要原因。⑤活塞杆基体组织为珠光体+断续网状铁素体，奥氏体晶粒度约为7.5级。

02 分析与讨论

根据上述检验结果可知，活塞杆开裂发生于杆身中部最大变形处，裂纹沿轴向连续分布，总长度约50mm，深度约2mm（感应层深度），断裂面边缘可见熔融态铬，说明开裂发生于电镀之前。另外，宏微观形貌及金相检查结果显示，旧裂纹面表现为拉伸断裂特征，活塞杆轴向均匀间隔分布着淬火软带，其表面硬度及有效硬化层深度的波动范围大大超出行业标准规范。因此，结合制造工艺可判断：活塞杆的感应淬火过程存在异常，导致感应区出现较大的残余拉应力和淬火软带，在矫直拉应力的作用下，最大变形处的感应层最先开裂。

通常，活塞杆在工作中，表面要承受交变接触应力和摩擦力，因此表面硬度和淬硬层深度是决定活塞杆使用寿命的关键技术指标。而感应淬火的目的是提高表面硬度，较大地提高零件的扭转、弯曲疲劳强度和表面的耐磨性。

相关文献中也列举了几种轴类零件因表面无淬硬层或淬硬层不连续而导致的早期失效案例。

林信智从残余应力的角度出发指出：感应淬火零件的硬化层中存在残余压应力，过渡层和淬火区域的边界处存在残余拉应力，这种残余应力的合理分布能够提高零件的强度和疲劳强度。由此可见，本文所述的间隔分布的淬火软带则处于残余拉应力状态。
陈国民更是以齿轮为代表零件，深入研究了感应淬火工艺与零件表面剥落之间的关系，并提出了提高感应淬火工艺水平的相关建议。

因此，类似文中活塞杆即使在矫直过程中不发生开裂，在服役过程中淬火软带区也会成为裂纹源导致早期疲劳失效。针对此类问题，张士祥提出了几种消除感应淬火软带的方法。

综上所述，活塞杆在矫直过程中开裂是因为最大变形处存在淬火软带，一方面使得该处强度不足，另一方面局部产生残余拉应力。而造成淬火软带的根本原因是零件与感应器之间的移动速度不协调所致。

03 结论

（1）失效活塞杆的断裂性质为矫直引发的感应层脆性开裂。

（2）活塞杆的断裂主要与最大变形处存在淬火软带有关，致使其在矫直过程中发生纵向开裂，该区表面硬度和有效硬化层深度波动范围大大超出标准，且二者均低于产品技术要求。

（3）活塞杆表面淬火软带的形成是由其与感应器之间的移动速度不协调所致。

04 建议

（1）调整活塞杆与感应器之间的移动速度，避免淬火软带出现。

（2）适当增大感应加热功率，使表面硬度和有效硬化层深度满足产品技术要求。

（3）热处理后对需矫直的工件应当确保矫直产生的残余应力不妨碍后续的机械加工与使用，必要时进行去应力处理。

作者及单位：李平平、杨火顺，中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司。
本文《活塞杆断裂分析与预防》刊登于《金属加工（热加工）》2019年第7期，第49~55页。版权归金属加工杂志社所有，如转载注明来源。

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