HT200加力器异常断裂失效分析

王邦伦 朱协彬 王邦硕 黄仲佳

(安徽工程大学机械与汽车工程学院， 安徽 芜湖 241000)

HT200加力器异常断裂失效分析

王邦伦 朱协彬 王邦硕 黄仲佳

(安徽工程大学机械与汽车工程学院， 安徽 芜湖 241000)

为了解决某机械厂HT200铸件异常断裂的问题，从化学成分、力学性能和金相组织等方面对HT200灰铸铁进行检验分析。分析表明，异常断裂的铸件中存在缩孔疏松、石墨粗大、珠光体含量低等缺陷，导致了铸件硬度和抗拉强度下降，从而使铸件易在外界机加工力作用下断裂失效。

灰铸铁； 断裂失效； 力学性能； 金相分析； 缩孔

HT200铸件的抗拉强度和塑性较低，但铸造性能和减震性能较好，多用来铸造汽车发动机汽缸、汽缸套、车床床身等承受压力及振动的部件[1]。某机械厂的加力器零件采用HT200铸件所铸造，主要应用于工程机械装载机、推土机、挖掘机及重型汽车气顶液制动系统中，将从气制动阀出来的低气压转化为制动器所需要的高液压。近期，该厂在装配加力器的过程中出现了多起HT200铸件异常断裂事故，严重影响生产。

为了找到铸件异常断裂的原因，本次研究将异常断裂试样(记为1#试样)与前期生产的正常试样(记为2#试样)进行对比分析。根据GBT 9439 — 2010《灰铸铁件》、GBT 7216 — 2009《灰铸铁金相检验》等国家标准，对HT200灰铸铁的化学成分、力学性能和金相组织进行检验分析[2-3]。

1 化学成分分析

图1所示为HT200加力器零件实物图，断裂位置的壁厚约10 mm。取1#试样，从图1左侧断口附近切取5块小试样，用于化学成分检验；取2#试样，先用切割机按图1(右)虚线位置切断，后从与1#试样类似位置切取5块小试样。

采用不同方法测定5种主要元素的含量：C，采用碱石棉吸收重量法测定；Si，采用高氯酸脱水重量法测定；Mn，采用亚砷酸钠-亚硝酸钠滴定法测定； S，采用硫酸钡重量法测定；P，采用二安替比林甲烷磷钼酸重量法测定。

图1 HT200加力器零件实物图

表1所示为 HT200灰铸件中各元素的质量分数。可以看出，1#、2#试样的化学成分相近，且各元素质量分数均在规定范围之内[4]。

2 力学性能检测

2.1 布氏硬度测定

根据国标关于硬度检测的规定，将1#、2#试样的断口先置于砂轮上进行粗磨，后置于500#砂纸上进行细磨，最后使用200HB-3000型布氏硬度计沿断面均匀测定10个点的硬度。国标规定布氏硬度的合格范围为150～230 HBW，表2所示为布氏硬度(HBW)检测统计结果。

表2 布氏硬度(HBW)检测统计结果

由表2可知，1#试样平均硬度远低于2#试样，1#试样总体硬度不合格；1#试样硬度标准差大于2#试样，1#试样硬度分布不均匀；1#试样只有极少部分位置硬度达标，2#试样绝大部分位置硬度都达标。

2.2 抗拉强度测定

3 金相组织观测

按照国标要求，铸件中不允许存在影响铸件使用性能的铸造缺陷，如裂纹、冷隔、缩孔等，基体金相组织应为珠光体[5]。珠光体含量最好大于95%，石墨类型最好为A型[6]。

表3 抗拉强度检测结果

从1#、2#试样断口处各切取一块小试样，先用碳化硅金相砂纸磨制，再用海军呢抛光布抛光(抛光剂为氧化铝)，制得抛光态试样，然后在奥林巴斯金相显微镜放大100倍观察。图2所示为试样的抛光态金相照片。对抛光态试样，用质量分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，再在奥林巴斯金相显微镜下放大100倍观察。图3 所示为试样的腐蚀态金相照片。

由图2可知，1#试样中有初生的粗大直片状石墨，石墨类型为C型，石墨长度为1级(国标中将石墨长度分成8个等级，1级最长，8级最短)，较多的黑色小点为疏松，圆形的大黑斑为缩孔，有一条沿着缩孔扩展的裂纹；2#试样的细小片状石墨呈无方向性均匀分布，石墨类型为A型，石墨长度为3级，黑色小点的疏松程度较轻，无裂纹缩孔。

由图3可知，2#试样腐蚀后，其中的黑色珠光体含量高于1#试样。使用金相分析软件测定珠光体含量：1#试样中珠光体质量分数为90.3%，2#试样中珠光体质量分数为94.2%。白色部分主要为铁素体，还有少量的碳化物和磷共晶。表4所示为试样金相组织分析统计表。

图2 试样的抛光态金相照片

图3 试样的腐蚀态金相照片

试样石墨类型石墨长度分级珠光体质量分数∕%疏松程度缩孔裂纹1#C型1级90.3较重有有2#A型3级94.2较轻无无

4 断裂失效分析

对比2种试样的金相组织，可以看出，1#试样存在较严重的缩孔和疏松，破坏了金属基体的连续性，降低了有效承载面积，使得铸件的横向塑性和韧性下降。更为重要的是，当铸件加工装配过程中受到外力作用时，气孔附近易引起应力集中而成为裂纹源，粗大石墨自身及其与基体的结合强度低而促使裂纹源沿着粗大的石墨进一步扩展[7-9]。

1#、2#试样虽然化学成分相近且都合格，但1#试样中的C元素主要以粗大的石墨形式存在，而基体中固溶的C元素偏少，导致硬相组织珠光体含量较少而软相组织铁素体相对较多，进而引发硬度和抗拉强度的下降。这与力学性能的检测结果完全一致。1#试样力学性能较差无法抵抗外界较大的作用力，当受到外力作用时，气孔附近的微裂纹将快速扩展为宏观大裂纹，最终使得铸件断裂[10]。图4所示为异常HT200铸件断裂过程机理图。

5 结 语

此次检测结果如下：化学成分测定显示，1#、2#试样都合格；力学性能分析显示，1#试样硬度和抗拉强度都不达标，2#试样都达标。金相组织分析显示：1#试样石墨较粗较长，珠光体含量较低，疏松较严重，且有缩孔和裂纹；2#试样金相组织明显较好。

图4 异常HT200铸件断裂过程机理图

铸件断裂机理是，缩孔应力集中形成裂纹源，裂纹源沿着粗大的直片状石墨扩展为微裂纹，在由石墨粗大、珠光体含量低、疏松严重等原因引起的铸件力学性能下降和外界机加工力综合作用影响下，微裂纹快速扩展为宏观裂纹进而造成铸件断裂失效。

HT200加力器铸件断裂的原因是缩孔疏松、石墨粗大、珠光体含量低，铸件硬度和抗拉强度不合格。

[1]

[10] BERTO F，CENDON D A，ELICES M.Fracture behavior under torsion of notched round bars made of gray cast iron[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2016，84(S1)：157-165.

Fracture Failure Analysis of an HT200 Assistor

WANGBanglunZHUXiebinWANGBangshuoHUANGZhongjia

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China)

In order to study the causes of the fracture of HT200 castings in a factory, the chemical composition, mechanical properties and microstructure of grey cast iron HT200 were tested and analyzed. The results show that the abnormal castings have defects such as shrinkage cavity, coarse graphite and low pearlite content, which leads to the decrease of hardness and tensile strength of the castings, and the fracture failure of castings is easy to happen under the external mechanical force.

grey cast iron; fracture failure; mechanical properties; metallographic analysis; shrinkage cavity

2017-03-13

国家自然科学基金项目“纳米草修饰微孔或凸包阵列的分级织构化光学薄膜研究”(51205001)；安徽省高等教育提升计划自然科学研究项目“HSLA钢热装裂纹的形成机理及预防措施研究”(TSKJ2017B08)；安徽工程大学青年科研基金项目“显微组织对微合金钢直装裂纹影响的实验研究”(2016YQ32)；安徽工程大学再制造研究中心开放课题基金项目“微合金钢直装铸坯表面组织优化及其热处理工艺的研究”(RMSE201610)；安徽省级大学生创新创业训练计划项目“相变对微合金钢晶粒尺寸及力学性能影响的实验研究”(20161036300146)

王邦伦(1985 — )，男，硕士，实验师，研究方向为金属材料热处理组织与性能。

TG115

A

1673-1980(2017)04-0068-04