限位杆连接叉断裂原因分析

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(1. 第一拖拉机股份有限公司 工艺材料研究所, 洛阳 471004; 2. 洛阳市机械产品失效分析重点实验室, 洛阳 471004; 3. 拖拉机动力系统国家重点实验室, 洛阳 471004)

限位杆连接叉断裂原因分析

刘岩1,2,王云飞1,2,3,魏彩丽1,2,曹耕原1,2,张戈1,2

(1. 第一拖拉机股份有限公司 工艺材料研究所, 洛阳 471004; 2. 洛阳市机械产品失效分析重点实验室, 洛阳 471004; 3. 拖拉机动力系统国家重点实验室, 洛阳 471004)

某拖拉机限位杆连接叉在进行空载提升试验时发生断裂，通过宏观观察、扫描电镜观察、金相检验、硬度测试、拉伸试验等方法对限位杆连接叉的断裂原因进行了分析。结果表明：限位杆连接叉原材料中的铝元素含量较高，在铸造凝固后的冷却过程中，铝元素与氮元素形成片状氮化铝夹杂物在原始奥氏体晶界位置析出，使材料的塑性和韧性大幅度降低，当受力过大时零件便会发生脆性断裂。

限位杆连接叉；铝含量;氮化铝夹杂物；脆性断裂

拖拉机通过悬挂系统牵引犁、旋耕机、播种机等农机具进行工作，悬挂系统是由上拉杆、提升杆、下拉杆以及限位杆等组成。其中限位杆连接叉的作用是通过连接销将限位杆和下拉杆连接在一起，用于控制所牵引农具的横向位移[1-3]。某型号拖拉机限位杆连接叉在试验场内进行空载提升试验时发生断裂，笔者对损坏零件进行了检验和分析，以查明连接叉发生断裂的原因。

断裂连接叉材料为RZG310-570熔模铸钢，零件经过调质处理，调质工艺为850 ℃淬火后580 ℃高温回火,基体硬度要求为215～265 HB。与连接销内孔配合的叉口中心孔要求中频感应淬火，200 ℃回火处理,淬硬层深度要求为1～3 mm，表面硬度要求为48～52 HRC。

1 理化检验

1.1宏观观察

图1 限位杆连接叉宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the limited clevis rod

限位杆连接叉的整体宏观形貌如图1所示，断裂部位位于叉口中心孔处，两侧中心孔处均发生断裂。断裂位置附近未发现明显的塑性变形，断口呈粗大的结晶状特征，由平滑、光亮、稍有弯曲的小平面构成了典型的“石状断口”，如图2所示。断口为新鲜一次性断口，未发现氧化、腐蚀等原始缺陷[4]。

图2 限位杆连接叉断口宏观形貌Fig.2 Macro morphology of the fracture of the limited clevis rod

1.2扫描电镜观察

使用扫描电镜(SEM)对限位杆连接叉断口的微观形貌进行观察，图3a)为放大70倍观察到的断口形貌，断口上显示出了粗大的柱状晶特征，这种组织是在凝固过程中固态金属定向生长形成的奥氏体晶粒,断口微观形貌特征为沿晶。

将图3a)中方框区域放大500倍观察得到图3b)，可见断面比较光滑平整，上面分布着条状或片状第二相析出物留下的韧窝状痕迹，第二相析出物沿晶界析出且呈有规律的角度排布，如图3c)所示。使用能谱仪(EDS)对图3b)中断口表面的两个微区进行能谱分析，结果如图4所示，可见铝、氮元素含量较高，证明在断口位置存在铝、氮元素的富集。

图3 断口的扫描电镜形貌Fig.3 SEM morphology of the fracture

图4 断口表面能谱分析结果Fig.4 EDS analysis results of the fracture surface: a) region I; b) region II

1.3金相检验

在限位杆连接叉断口附近取样进行金相检验。结果如下：中心孔工作面淬硬层深度为0～2.8 mm，中心孔表面正中位置未淬火，如图5所示；限位杆连接叉的基体显微组织为回火索氏体+铁素体+残余铸态组织，如图6所示；限位杆连接叉的晶粒异常粗大，按GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》对晶粒度进行评定[5]，结果为晶粒度级别00级，如图7所示。

图5 限位杆连接叉中心孔处的淬硬层宏观形貌Fig.5 Macro morphology of the hardening layer in centre hole of the limited clevis rod

图6 限位杆连接叉的基体显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology of the matrix of the limited clevis rod

图7 限位杆连接叉的晶粒形貌Fig.7 Grain morphology of the limited clevis rod

1.4硬度测试

对限位杆连接叉的基体硬度和叉口中心孔表面硬度进行测试，结果如表1所示，可见限位杆连接叉的基体硬度符合技术要求，叉口中心孔表面感应淬火区的硬度低于技术要求。

1.5拉伸试验

对限位杆连接叉进行拉伸试验，结果如表2所示。连接叉材料没有屈服阶段，因此测得的结果中屈服强度、断后伸长率、断面收缩率均为无效值，不符合JB/T 5100-1991《熔膜铸造碳钢件 技术条件》的要求[6]，试验材料在室温下呈脆性材料特征。

表1 限位杆连接叉的硬度测试结果Tab.1 Hardness testing results of the limited clevis rod

表2 限位杆连接叉的拉伸试验结果Tab.2 Tensile test results of the limited clevis rod

1.6热酸蚀试验

对限位杆连接叉的拉伸断裂试样进行热酸蚀试验，试样经过热酸蚀后表面出现沿晶网状龟纹，如图8所示。

图8 热酸蚀后试样的宏观形貌Fig.8 Macro morphology of the specimen after hot etching

1.7化学成分分析

对限位杆连接叉进行化学成分分析，其中磷、硅、锰、铝元素采用布鲁克Q8型光电直读光谱仪进行分析，碳、硫元素采用HW-2000型红外碳、硫分析仪进行分析，结果如表3所示。结果显示碳、硫、磷、硅、锰元素含量均符合JB/T 5100-1991要求。

表3 限位杆连接叉化学成分分析结果(质量分数)Fig.3 Analysis results of chemical compositions of thelimited clevis rod (mass fraction) %

2 分析与讨论

限位杆连接叉的化学成分中碳、硫、磷、硅、锰元素含量均符合JB/T 5100-1991要求。目前铸钢标准未对铝含量作出规定，有关资料显示，适量的铝有利于脱去钢液中的氧。当最终钢液中的残余铝含量不足0.1%(质量分数，下同)时，一般不会对铸钢件产生影响。当钢中的最终残余铝含量在0.1%～0.2%时，虽然产生缺陷的倾向比较小，但钢液在脱氧和铸型的浇铸过程中会形成很多铝的氧化物夹杂，使铸钢件的力学性能降低。当铸件中的最终残余铝含量大于0.2%时，过量的铝就会在晶界上析出含铝夹杂物，从而形成“石状断口”缺陷。因此合适的残余铝含量范围为0.020%～0.065%[7]，铸钢中铝含量一般不应超过0.08%。

拉伸试验结果显示，限位杆连接叉的屈服强度、断后伸长率和断面收缩率不符合JB/T 5100-1991要求，该零件的塑性和韧性极差是造成限位杆连接叉脆性断裂的主要原因。

限位杆连接叉经热酸蚀后表面出现网状龟纹，其网纹的尺寸与微观观察到的铸造时形成的粗大晶粒尺寸相一致。由于原始奥氏体晶界上存在易被腐蚀的物质，导致热酸蚀后产生网状龟纹。

通过金相检验可以看出，限位杆连接叉的基体显微组织为回火索氏体+铁素体+残余铸态组织。组织状态显示零件经过调质处理，但是铸态残留的网状大晶粒未被完全消除。网状组织的晶粒度级别为00级, 粗大网状晶粒的存在降低了限位杆连接叉的塑性和韧性。

限位杆连接叉的硬度测试结果显示，零件基体硬度符合技术要求，反映了零件调质处理工艺正常。叉口中心孔内壁感应淬火区的深度低于技术要求，表面硬度也低于技术要求，说明感应淬火工艺存在问题。但是表面硬度和淬硬层深度不足一般会造成零件磨损、韧性断裂或者疲劳断裂，与该限位杆连接叉的断裂模式不一致，因此感应淬火工艺不当造成的硬化层深度和硬度偏低不是造成限位杆连接叉脆性断裂的主要因素。

扫描电镜观察结果显示，限位杆连接叉断口存在铸造时形成的柱状晶区域，断口表面为凝固时形成的原始奥氏体晶粒，晶界上存在片状或条状的第二相析出物。扫描电镜观察结果证明，晶界上存在第二相析出物削弱了材料的强度，诱使零件从原始奥氏体晶界开裂。由于第二相析出物沿着粗大的奥氏体晶界分布，零件断口显示为冰糖状断口，微观上开裂源处会留下枝晶状的韧窝。

能谱分析结果显示断口上的铝、氮元素的含量比较高，这是由于目前钢铁企业往往采用铝作为脱氧剂，当铝的用量控制不佳时，会和空气中的氮元素形成氮化铝化合物。一定量的氮化铝可以起到细化晶粒的作用，但是过量的氮化铝在钢液凝固后的缓慢冷却过程中，会在原始奥氏体晶界处析出[8-9]。

析出的氮化铝晶体通常为片状，厚度大约为0.5 μm，呈树枝状分布。片状的氮化铝晶体对原始奥氏体晶界位置的基体起到了割裂作用，破坏了基体组织的连续性，类似于灰铸铁中的片状石墨。在受到外力时，片状氮化铝存在的界面最为薄弱。当外力过大时，材料就会从片状氮化铝位置直接开裂。这与力学性能测试结果显示的拉伸过程没有屈服阶段相一致。

3 结论

(1) 该限位杆连接叉在室温下呈脆性特征，塑韧性极差，材料本身存在铸造缺陷。

(2) 该限位杆连接叉的铝含量较高，脱氧过程中残留的铝元素和空气中的氮元素结合，形成硬脆的片状氮化铝晶体在晶界处析出，导致限位杆连接叉在受力过大时直接断裂失效。

4 建议

在铸钢的冶炼过程中采取措施严格控制材料中氮元素和铝元素的含量，比如保持足够的氧化沸腾时间和脱碳速率使气体充分排出，使用其他脱氧剂代替含铝脱氧剂，以减少甚至避免氮元素和铝元素的介入。

[1] 袁小飞,管永刚,云峰.拖拉机牵引装置总成虚拟装配设计[J].科技创新导报,2008(27):14-15.

[2] 杨永生,张雪花,曹淑芬,等.限位杆左支座焊合件断裂原因分析[J].拖拉机与农用运输车,2014(2):76-78.

[3] 赵传扬.浅谈拖拉机与农机具衔接技术[J].农业机械,2013(4):77-81.

[4] 王荣.机械装备的失效分析(续前) 第3讲 断口分析技术(下)[J].理化检验-物理分册,2016,52(12):833-840,845.

[5] 王维发,王星,王培科,等.ZG25MnF8钢调质组织原奥氏体晶粒的显示方法[J].理化检验-物理分册,2016,52(1):25-27,35.

[6] JB/T 5100-1991 熔膜铸造碳钢件 技术条件[S].

[7] 刘小蓓.高性能工程机械桥壳裂纹缺陷产生原因分析[D].济南:山东大学,2014.

[8] 钟群鹏,赵子华.断口学[M].北京:高等教育出版社,2006:203.

[9] 张栋,钟培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:国防工业出版社,2004:151.

AnalysisonFractureReasonsoftheLimitedClevisRod

LIUYan1,2,WANGYunfei1,2,3,WEICaili1,2,CAOGengyuan1,2,ZHANGGe1,2

(1. Technology and Material Research Institute, First Tractor Company Limited, Luoyang 471004, China; 2. Luoyang Key Laboratory of Mechanical Product Failure Analysis, Luoyang 471004, China; 3. State Key Laboratory of Power System of Tractor, Luoyang 471004, China)

The limited clevis rod of a tractor fractured during no-load lifting test. The failure reasons of the limited clevis rod were analyzed by means of macroscopic inspection, scanning electron microscope observation, metallographic examination, hardness testing, tensile test and so on. The results show that: the aluminum content of the raw material of the limited clevis rod was relatively high; during the cooling process after casting solidification, flake aluminum nitride inclusions, which formed by the aluminum and nitrogen element, precipitated in the prior austenite grain boundaries, caused the dramatical decrease of material plasticity and toughness, and resulted in the brittle fracture of the parts under extremely large force.

limited clevis rod; aluminum content; aluminum nitride inclusion; brittle fracture

10.11973/lhjy-wl201709011

2016-09-28

刘 岩(1988-)，女，工程师，学士，主要从事金属材料研究工作，liuyan108.cool@163.com

TB31

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：1001-4012(2017)09-0664-04