案件背景

金屬零部件在外加載荷的作用下，當應(yīng)力達到材料的斷裂強度時，發(fā)生斷裂。其中80%以上的斷裂是由于疲勞引起的，極易造成人身事故以及經(jīng)濟損失。因此認識疲勞現(xiàn)象，研究疲勞破壞規(guī)律，防止疲勞失效是非常重要的。我司昆山實驗室收到客戶委托，客戶產(chǎn)品為45#鋼傾油缸接頭，在模擬使用條件下進行加速實驗約2萬次時，發(fā)生斷裂現(xiàn)象，委托優(yōu)爾鴻信檢測分析其斷裂原因。

測試方案

斷口形貌觀察：樣品斷口形貌分析，初步判斷其斷裂形式；

顯微金相組織分析/洛氏硬度測試：查看其熱處理工藝；

化學(xué)成分測試：分析判斷其含量是否符合國家標準。

SEM斷口形貌

2#-20X

5#-20X

掃描電鏡觀察斷口形貌，通過SEM掃描照片可知：圖2#-20X和5#-20X為樣品斷口裂紋源低倍形貌，可見樣品外緣存在多個臺階，呈明顯的線源特征，結(jié)合樣品宏觀形貌，肉眼可見斷口邊緣區(qū)域有擠壓摩擦變亮痕跡，可判斷裂紋起源于軸根部外表面螺紋凹痕處，該斷口屬多源且有應(yīng)力集中現(xiàn)象。將裂紋源附近放大后觀察，可見明顯的疲勞輝紋，呈疲勞斷裂特征。

1#到6#位置SEM照片可以看出樣品內(nèi)部存在明顯的疲勞輝紋及大量的二次裂紋，在部分區(qū)域可觀察到機械損傷的犁痕和氧化特征，犁痕方向與斷裂過程的受力方向基本一致。疲勞輝紋的擴展方向大部分由斷口表面兩側(cè)向中間位置擴展。7#位置中部發(fā)現(xiàn)韌窩結(jié)構(gòu)，因此中間軸區(qū)域為最終斷裂階段。大致斷裂方向如圖箭頭所示。

金相組織分析

樣品斷口附近取樣，經(jīng)過研磨機械拋光制成金相試樣，用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，用金相顯微鏡觀察金相組織可見：材料內(nèi)部存在夾雜物及孔洞，斷口附近金相組織主要由網(wǎng)狀鐵素體+少量塊狀鐵素體+珠光體組成，不符合調(diào)質(zhì)組織。

洛氏硬度分析

將樣品表面漆層打磨掉，用洛氏硬度計測試樣品硬度值可知，洛氏硬度值為86.3HRB，硬度偏低。

化學(xué)成分分析

備注：所給成分結(jié)果為質(zhì)量百分比

將樣品表面漆層打磨掉，用火花原子放射光譜儀測試化學(xué)成分可知，化學(xué)成分符國家標準中45#鋼成分要求。

原因分析

斷口宏觀和微觀分析結(jié)果表明：裂紋源位于螺紋凹痕位置外表面，裂紋源存在多個臺階，呈明顯的線源特征，斷口上可見明顯疲勞輝紋，因此可判定樣品斷裂模式為多源疲勞斷裂，且有應(yīng)力集中現(xiàn)象。 

斷口臺階是多個疲勞源萌生的裂紋交匯臺階，一般在高應(yīng)力集中疲勞斷口中

常見，加速實驗過程中，螺紋凹痕處造成應(yīng)力集中，使凹痕根部的最大實際應(yīng)力遠大于零件所能承受的名義應(yīng)力。在循環(huán)應(yīng)力作用下，凹痕截面上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響試件的力學(xué)性能，對零件產(chǎn)生疲勞破壞。較大尺寸的非金屬夾雜物也是疲勞裂紋的啟裂源。

試樣內(nèi)部存在孔洞及夾雜物、組織分布不均勻、熱處理不當?shù)纫蛩乜蓪?dǎo)致試樣的實際承載能力和安全性能大大降低。金相組織存在網(wǎng)狀鐵素體和少量塊狀鐵素體，造成材料軟點，硬度偏低。

結(jié)合以上試驗結(jié)果，對樣品發(fā)生疲勞斷裂的原因分析如下：

(１)熱處理不當

材料的微觀組織與工藝、性能密切相關(guān)，原材料可能未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理或調(diào)質(zhì)處理不當，造成該試樣的力學(xué)性能較低。 

(２)應(yīng)力集中

試樣在加速實驗過程中承受雙向彎曲載荷的作用，螺栓螺牙處應(yīng)力集中使局部區(qū)域的應(yīng)力值超過了該軸按預(yù)定壽命所能承受的應(yīng)力水平，致使裂紋在軸表面萌生。

建議

為避免傾油缸接頭發(fā)生類似斷裂失效問題，應(yīng)從材料熱處理工藝、表面加工質(zhì)量等方面層層把關(guān)，嚴格執(zhí)行標準技術(shù)要求。