减震器吊环扩口开裂的原因分析
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第4O卷第1期 2017年1月 河北农业大学学报 JOURNAL OF AGRICULTURAL UNIVERSITY OF HEBEI Vo1.40 NO.1 Jan.2 0 1 7 文章编号:1000—1573(2017)01—00123—07 DOI:i0.13320/j.cnki.jauh.2017.0023 减震器吊环扩口开裂的原因分析 崔书岭 ,孙维连 ,成金永 ,孙 铂 (1.河北农业大学机电工程学院,河北保定071000;2.河北金奥管业有限公司,河北保定071000) 摘要:20钢冷拔管经退火后进行喷丸、扩口成型,扩口时出现局部纵向开裂问题。采用体视显微镜、光学显微 镜、SEM、EDS、显微硬度计等设备对20钢减震器吊环的断131形貌、非金属夹杂、显微组织、裂纹缺陷内部成分 以及显微硬度进行分析与测试。结果表明:由于炼钢炉内壁保护渣剥落,在穿孔时心部组织形成裂纹缺陷,且 在裂纹缺陷处存在增碳现象致使吊环的力学性能存在差异,加之管体退火后残余应力与扩口应力相互叠加致 使裂纹发生扩展,减震器吊环外壁存在浅表层折迭缺陷,非金属夹杂与带状组织较为严重,也进一步促使钢管 开裂。通过对减震器吊环失效原因的研究分析,不仅对其失效进行了有效预防,而且对这类性质的失效问题的 研究具有指导和推广意义。 关 键词:退火管;扩口成型;增碳;残余应力;裂纹 文献标志码:A 中图分类号:TG142.31 Analysis on flared crack reason of damper rin CUI Shu—l ing ,SUN Wei—l ian ,CHENG Jin-yong ,SUN Bo (1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Agricultural University of Hebei,Baoding 071000,China; 2.Hebei Gold Mysterious Pipe Co.Ltd.,Baoding 07 i000,China) Abstract:A partial longitudinal cracking phenomenon occurred after 20 steel cold drawn tubes were annealed,and then put through shot peening and flaring.By equipments of stereoscopic microscope、SEM、EDS、optical microscope and micro—hardness meter etc,the 20 steel damper rings were analyzed and tested on their fracture morphology,non—metallic inclusions,micro— structure,cracks’internal components and micro—hardness.Results showed that due to the peeling of slag powder of inner wall in steelmaking furnace,cracks were formed in heart tissue during the perforation,and there were differences in the mechanical properties of rings resul— ting from the carburizing phenomenon.Besides,the mutual superposition of residual stress af— ter quenching and flared stress eventually led to extended crack.There were shallow outer fold presences in damper rings,and the non—metallic inclusions and the banded structure were seri- OUS,which played a catalytic role on flared cracks.The research and analysis of the reason for the damper rings’failure can not only prevent its failure,but also are beneficial for providing guidance for this kind of failure problem. Keywords:annealing pipe;flaring shaping;carburization;residual stress;cracking 2O15—12一O3 收稿日期: 基金项目: 现代农业装备研发中心建设项目(XDNZ 201501). 作者简介: 崔书岭(1990一),男,河北省廊坊人,在读硕士生,主要从事金属材料失效分析和表面强化方面研究 E—mail:1150072559@qq.corn 通讯作者: 孙维连(1956一),男,河北省保定人,博士,教授,主要从事金属材料失效分析研究. 1剐 2()例为优质碳索纳构俐。冷变形塑性好,能承 受 , 边。扩『』K等庸力应变,一一般波选择制造承 受力/f 人.M性嘤求高的机械零件,如汽车{ 杆、气 挺朴、减 吊环等零什 。减 器吊环的作川 求保障机械运转的发伞性与 址减缓运动『1lf的振荡 冲.h,I 此零件钢 ‘的选择 TES{?AN扣捕吧镜对外裂吊环的断【J进干t微观形 貌观察。2)对开裂吊环 术』f:裂吊环分圳取佯记为 1#、2#,将 纵敲 经研膦、抛此后利川I eiC8 I)M4o0()M刿金卡l{ 微镜观察试样.Jf:按照旧标 (;I3 Tl 056l 89对试样进仃:{I金属夹杂评级。3) 对 裂吊环沿横、纵战 收佯. 研麽、抛光、惰蚀 后.在 做镜下lI见察金十I1组 .ji 按照lq标GB 要j 备足够好的 I—J‘ 。陔厂减 吊环的材质选择是!()钢. 生产 ]JIIl l 路线 :…材一断料一穿孔一t僻一酸洗 一瞵ft、 ft一冷拔一 令逖火一~ 次冷拔一去应 力 火一成・I『l锊一定J 1 料一例 一l唆丸一扩¨成 一减 f 环..『J前一批减 器吊环 喷儿、扩 ¨成,I¨ .发,t-』’管体纵向局部,r .废.1^牢较高.. _匕们f究人员从为 属火杂物的存 使得J『Ij部产 ,t-心 ]集一fl从lnf f1『』 裂纹导致,夫效。。.陔研究虽清 晰的 释r必杂,jI起零什的火效耻沦.ff_l零什火效 fi_- 小址t 一 索。 址多种 素的累积 叠JJfI所 敛。小研究参照火效分卞斤厅法 .通过埘开裂吊环 进f 断¨彤貌观察、 Ⅲ组织 察、做裂纹J×:成分分 析以及,J学性能测定等办法.令 削忻减 器吊环 裂纹的产 硬扩爬原【太1.对这类零什火效的问题进 行_r彳 效的预防。 1 材料与方法 1.1 材料 乍料 符什规f}}为032 nlrn×5 I]1111×=_;¨IllI71, 倒 ‘允进行喷儿处婵.再进行扩门成 .『JlJ T成 Il^j端【I 犬A 为 l8 YI]I]I.『11 n1J仍为中32 nin]的 “喇叭状”减 吊环,部分减 器吊环在扩u时发 ,}i外裂现象. 1。 I 开裂吊环宏观形貌 Fig.I I'he macroscopic morphology ot‘cracking rings; I.2研究方法 利川线 割将J}:裂吊环 Ij未 裂吊环分别取 样,然后进仃实验研究:1)果川 卡水 斯体 微镜 埘J{:裂吊环的断裂啊进行宏观观察.然后将琏斤【I试 佯经SB 5200IJ超 波清洗机进仃清洗, 住采J}j Tl3299 })1 级 准进行带状组织 级 4)采川 I'ES(、AN jIj捕电镜及能谱仪埘管体rf1存在的微裂 纹缺陷进仃能谱成分愉洲。j)采川华银HBS 62.5 数显小负荷伽氏硬度计对溅 器吊环裂纹附近增 碳I 、心 、术 裂吊环心部以及未扩门吊环心部依 次进行显微埂度检测。 2 结果与分析 2.1 断裂处形貌分析 吊环 扩广I后.其 穿孑L过 t}I外壁形成的与 轴向 ・定角度的浅表层折迭~显现 来,如[殳1 1. 巾于在后续冷轧过 中外壁折迭受到内外模挤 力 的作川好似被完 J{i合. 实质未被 合.导致吊环 纵向仃效受力呵减少.这对吊环的纵向Jt:裂 存一 定影响:经断口宏观彤貌分忻.断裂面呈V 沟借 状.如同2(a);断门微观肜貌 叫{I 的韧窝状特fl 属1 韧性断裂。,fuJ罔2(∽。 (h).嘲ff1f数眦f髟 { 图2 开裂吊环断口局部宏观形貌及断口微观形貌 I.1ig.2 l'he local nlacro fracture morphology and the fracture morl}h ̄}logy of‘cracking rings 2.2金相组织分析 根据 标( Tl O56 l 对什裂吊环’j未J『 裂吊环进行 属必杂绒圳埘比分析."t裂吊 1 #评为I)类2.5级(细系).&l 】:{(a); 术JI:裂m 环2# 为I) 1.5级( 系). :{(})).J{:裂吊环 的非金槭央杂较 砸.对 体起到割裂作川. 破坏琏体的连续性.促进管体j1 裂 .. (a) 。. .鸯 / 一、 霸 t二4 黼 } B m、、————/ 、 裂吊环非金属夹杂级别 讦级 /茹 /——\!\ :化物娄藩 [1111、~一一 ll ).术坪 i'l'J外 金f k 绒圳 图3非金属夹杂级别比对 ¨如3 Comparision of the level of noll—metallic inclusions 按照 标( I3 T13299—9I对吊环纵撼 I“ IJ" 状 组织评为I3类3级.较 亟.如 4(a): 之 孑L、冷轧等 性_JJf 11_- 近内太组织铁索体带I … 央杂物1 曲乍的分层裂纹.均 著降低吊环 的 性埂 .1c¨ 4(∽。吊环横俄 心邴仃(ti裂 纹缺陷 附近组织增碳现象 l月J 。f1_ 吊环外 仔 脱碳层.宽裂纹缺陷足 r 扩¨J 乃 川卜 做裂纹处心力集rf1而发, 扩腱;脱碳的仃 致 层硬 F降.疲劳强度较差 .经唢儿后减 吊环外}键脱碳层发生塑性变形.表面强化 lJ、J形成 较高的戏余成力 .促进了管{本的肝裂. l( )。 (:1).纵娥向带状组 l平绒:(h).纵截咖组 双: (C).横截面裂纹缺陷、增碳l一及脱碳 图4开裂吊环的显微组织 Fi£.4 Fhe microstruclure of cracking rings 迎过埘 4(C)中微裂纹进行能潜成分测试,测 弋 …k1 j(n),结果得…裂纹l』J部C|l、Si、A1、()、 }l、I 兀_粜 量较多.如 5(h)及表1昕水.分析 认为【tf能址烁钢过程中的保护渣 ( 婴成分勾 Ca()、Si() 、Al、()一CaF 等)剥落混入俐材ff1. 几 缝钢管的穿孔、轧制过 I1.在 延力的作ft 卜残 钢材r『1的火杂物 与金属基体发生分离而} 生 裂纹 .这种裂纹缺陷的仔存是造成吊环丌裂的土 嘤 。 ( .裂纹肜祝 l h)f『巳i ‘r 图5 裂纹形貌图及其能谱分析 ¨ 5 Mopography of crack anti the crack l :1) analysis 表J 裂纹缺陷内部主要元素分析结果(Wt. o) l'able I E1)S result of main elements in crack 分 1 2.85 l{1_97 3.23 3.3 rCcnf#| P 2.3硬度检测分析 通过馁瞍检测分析:扩口晦力使得品粒发 滑 手j;、化f 等 形变形较大.使得扩口吊环比术扩¨吊 环心 、 均馊度岛l3.1 H jS.按照黑色会腻硬度及 瞍换锌 (( 卜3l_Tl l 7 —1 9㈣)约柑{ 8 HRC.硬 瞍波动较1人;【{1于退火时管材在连续 火炉内受热 1 均.仃 残余应 .丌裂吊环比术 裂吊环心部 织 均硬度尚l8. HBS.仔 硬 偏芹;裂纹附近 『}1 j 混入的f 护渣 造成周m基体局部增碳.增碳 第1期 崔书岭等:减震器吊环扩口开裂的原因分析 125 平均硬度值比其心部组织平均硬度值高43.8 HBS 约相差8 HRC,使得内应力差值较大,分析认为吊 环本身存在残余应力与喷丸、扩口产生的较大内应 力相互叠加以及由增碳引起的力学性能差异对其开 裂起到很大的促进作用,硬度测试值如表2所示。 表2减震器吊环的显微硬度 Table 2 Microhardness of shock absorber rings HBS [3] 冯磊,轩福贞.非金属夹杂物对材料内局部应力集中 的影响[J].机械工程学报,2013,49(8):41—48. [4] 孙维连,陈再良.机械产品失效分析思路及失效案例 分析[J].材料热处理学报,2004,2(1):69—73. 050一DF11机车轮折迭缺陷的分析与 [5] 许章泽,谢峰.1改进[J].金属铸锻焊技术,2011,40(9):174—178. [6] 李连诗,韩观昌.小型无缝钢管生产[M].北京:冶金 3 结论 本研究通过对减震器吊环开裂失效原因的分 析,得出的结论如下: 1)减震器吊环外壁浅表层折迭缺陷的存在是扩 口开裂的一项重要原因。 2)吊环内部非金属夹杂物与带状组织均较为严 重都对吊环的开裂起到促进作用。 3)由保护渣等非金属夹杂物形成的分层与微裂 纹缺陷,是造成吊环开裂的主要原因。 4)通过硬度检测分析:扩口应力与其本身存在 的力学性能差异相互叠加,在很大程度上促进了扩 口的开裂。 综述以上是减震器吊环失效的原因分析,这对 于其他零件的失效问题具有一定的推广和借鉴 意义。 参考文献: [1]李炯辉.金属材料金相图谱[M].北京:机械工业出 版社,2006. [2]成海涛.无缝钢管缺陷与预防[M].成都:四JII科学 技术出版社,2007. 工业出版社,2003. [7] Wang G M,Carabell S J.Synthesis and structural evo— lution of tungsten carbide prepared by ball milling[J]J Mater Sci,2007,32(6):1461—1467. 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