铰链梁铰耳断裂原因分析

铰链梁铰耳断裂原因分析郭海霞;李慧【摘要】Hinge beam ears were fractured in the process of use.The fracture reasons for the hinge beam ears were analyzed by macroscopic analysis,chemical composition analysis,mechanical propertytest,metallographic examination and fracture SEM analysis.The results show that the residual aluminmm content and nitrogen content in the hinge beam were high,and the cooling rate was too slow in the summer,which made the grain boundary embrittlement due to the precipitation of AlN inclusions on the austenite grain boundary.At the same time,a large number of as-cast MnS and Al2O3inclusions on grain boundary also aggravate the grain boundary embrittlement, and the intergranular brittle fracture of the hinge beam occurred in the process of use.%铰链梁在使用过程中铰耳发生断裂,采用宏观分析、化学成分分析、力学性能测试、金相检验、断口扫描电镜分析等方法,对铰耳断裂原因进行了分析.结果表明:铰链梁中的残余铝含量和氮含量较高,夏季铸造时冷速过慢,使得一次奥氏体晶界析出AlN夹杂物造成晶界脆化,同时晶界上大量的铸态MnS以及Al2O3类夹杂物也加剧了晶界的脆化,导致铰链梁铰耳在使用过程中发生沿晶脆性断裂.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2018(054)005【总页数】5页(P355-358,367)【关键词】铰链梁;贝壳状断口;AlN夹杂物;残余铝量;沿晶脆性断裂【作者】郭海霞;李慧【作者单位】洛阳船舶材料研究所,洛阳471023;洛阳船舶材料研究所,洛阳471023【正文语种】中文【中图分类】TG115.2我国是人造金刚石第一生产大国[1]，铰链式六面顶液压机是人造金刚石的生产设备，铰链梁是六面顶中最重要的部件[2]。

某厂的铰链梁在使用过程中铰耳发生断裂，铰耳是铰链梁的关键部位，承受较大作用力。

统计发现半年时间内共有10件铰链梁的铰耳发生了断裂，而且断裂特征相似，因此急需找到铰链梁铰耳断裂的原因。

该批铰链梁材料为ZG35Cr1Mo铸钢，生产工艺为：中频炉铸造→正火→回火→机加工→调质处理。

为了查明铰耳断裂的原因，笔者采用宏观分析、化学成分分析、力学性能测试、金相检验、断口扫描电镜分析等方法对断裂铰耳进行了检验和分析，以避免类似事故的再次发生。

1 理化检验1.1 断口宏观观察铰链梁铰耳断口低倍形貌如图1所示，可见断口齐平，无塑性变形特征，呈贝壳状断口特征，断口面上晶粒形貌明显，晶粒直径大约为1 mm。

图1 铰耳断口低倍形貌Fig.1 Low multiple morphology of the hinge ear fracture1.2 化学成分分析在铰链梁铰耳处取样进行化学成分分析，结果见表1，可见其化学成分满足JB/T6402-2006《大型低合金钢铸件》对ZG35Cr1Mo铸钢成分的要求。

表1 铰链梁化学成分分析(质量分数)Tab.1 Chemical compositions analysis of the hinge beam (mass fraction) %项目CSiMnSPCrMoAlN实测值0．340．460．660．0250．0250．940．220．1450．016标准值0．30～0．370．30～0．500．50～0．80≤0．030≤0．0300．80～1．200．20～0．30--1.3 力学性能测试在铰链梁铰耳处取样进行力学性能测试，结果见表2，可见铰链梁抗拉强度和上屈服强度满足JB/T 6402-2006要求，但塑性和韧性偏低，不满足标准要求。

1.4 金相检验1.4.1 低倍组织形貌分析取与断口面平行的试样面，经磨、抛后酸洗，进行试样表面低倍组织形貌观察，可见试样表面上分布着网状裂纹缺陷及疏松缺陷，如图2a)所示，放大后网状裂纹缺陷形貌如图2b)所示，疏松缺陷形貌如图2c)所示，部分网状裂纹缺陷和疏松缺陷相连接，如图2d)所示。

1.4.2 显微组织分析采用光学金相显微镜对抛光态试样进行夹杂物检测，夹杂物形貌见图3a)，主要为大颗粒状和长条状，聚集分布，具有明显的铸态特征。

能谱分析显示夹杂物主要为MnS和MnS与Al2O3的复合型夹杂物。

依据GB/T 8493-1987《一般工程用铸造碳钢金相》对夹杂物级别进行评定，结果为2级。

侵蚀态下对试样显微组织进行观察，主要为回火索氏体+少量铁素体，如图3b)所示。

晶粒度级别为11.0级，晶粒平均直径约7.9 μm，晶粒较细，如图3c)所示。

表2 铰链梁力学性能测试结果Tab.2 Mechanical property test results of thehinge beam项目屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率/%断面收缩率/%冲击吸收能量/J实测值5867517．0628，25，22标准值≥510≥686≥12≥25≥31图2 铰链梁试样低倍组织形貌Fig.2 Macro structure morphology of the hinge beam sample:a) low multiple morphology; b) morphology of the reticulate cracks defect; c) morphology of the shrinkage-porosity defect;d) connection morphology of the reticulate cracks and shrinkage-porosity defect图3 铰链梁显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology of the hinge beam:a) inclusions; b) field of vision A; c) field of vision B1.4.3 网状裂纹缺陷分析在金相抛光态和侵蚀态的观察中，均未观察到与网状裂纹缺陷相关的特征,考虑到图2d)中疏松缺陷与网状裂纹缺陷是相连的，所以从疏松缺陷周围查找网状裂纹缺陷的实质。

在疏松缺陷周围观察到非常细微且断续分布的网络状线条，如图4a)所示，对应的抛光态形貌如图4b)所示，网络状线条呈灰色断续细线特征，某些部位由于线条太细，在抛光态下不易分辨。

观察整个试样，在较高倍率下找到一处比较容易分辨的网络状线条，如图4c)所示，能谱(EDS)显示细线实质是以AlN为主的夹杂物，能谱分析结果如图4d)所示。

图4 网状裂纹缺陷显微形貌及能谱分析结果Fig.4 Micro morphology of the reticulate cracks defect and EDS analysis results:a) morphology of the reticulate cracks defect in etched state; b) morphology of the reticulate cracks defect in polished state;c) EDS analysis position of the reticulate crack defect; d) EDS analysis results of the reticulate crack defect1.5 断口扫描电镜及能谱分析铰链梁铰耳断口形貌如图5a)所示，可见边缘为柱状晶形貌，中间为等轴晶形貌，断口呈铸态沿晶特征，属于典型的贝壳状断口。

断口上分布着较多夹杂物，如图5b)所示，能谱分析显示夹杂物主要为MnS以及MnS与Al2O3的复合型夹杂物，能谱分析结果如图5c)，d)所示。

从夹杂物尺寸、形貌和能谱分析结果分析，这些夹杂物与图3a)中的夹杂物相对应，而形成网状裂纹缺陷的AlN夹杂物很细薄，在断口上不易观察到。

图5 铰链梁断口微观形貌及能谱分析结果Fig.5 Microstructure and EDS analysis results of fracture of the hinge beam:a) microstructure of fractureof the hinge beam; b) morphology of fracture inclusions of the hinge beam;c) EDS analysis results of position 1; d) EDS analysis results of position 22 分析与讨论断裂铰链梁化学成分满足标准要求。

力学性能中强度满足标准要求，塑性、韧性偏低，不满足标准要求。

肉眼可观察到试样表面上分布着网状裂纹缺陷及疏松缺陷，网状裂纹缺陷的网络直径约1 mm。

原始断口、拉伸断口、冲击断口形貌相似，呈铸态沿晶断裂特征，晶粒直径大约为1 mm，该沿晶晶粒大小与网状裂纹勾勒出的网络大小相同，因此两者是一致的。

分析得知，网状裂纹实质是以AlN为主的夹杂物沿晶分布引起的沿晶脆性开裂导致的，另外沿晶断口上分布的较多铸态的MnS，Al2O3夹杂物以及疏松缺陷也割裂了基体的连续性，增加了晶界脆性，加剧了沿晶开裂的倾向。

铰链梁调质处理后的晶粒平均直径约7.9 μm，而断口的沿晶晶粒大小约1 mm，两者相差100倍以上,显然这两种晶粒是不一致的。

铸钢在铸造后形成粗大铸态一次奥氏体晶粒，为了细化晶粒和优化组织，会在铸造后进行热处理，经过热处理后，原始奥氏体晶粒消失，得到的是热处理后新形成的细小晶粒。

因此，铰链梁的AlN夹杂物分布在粗大铸态一次奥氏体晶界上，在奥氏体晶粒凝固时形成，是在铸造过程中形成的，后期热处理无法消除。

AlN在一次奥氏体晶界上析出，在二维空间是断续细线，在三维空间是晶界界面上的AlN薄膜层，这种薄膜状氮化铝与其他弥散分布的夹杂物不同，其形态是厚度为0.05 μm，其他尺寸不大于5 μm的沿晶薄膜。