起重机液压活塞杆断裂分析
发布时间：2020-08-29 09:26
针对某起重机液压缸中的活塞杆在运行过程中发生的疲劳断裂失效,从活塞杆的成分、断口的形貌和实际工况确定裂纹源的位置和形成机理,并对断裂的原因进行分析。结果表明:材料在冶炼过程中留下的夹杂物粒子、第二相粒子及设计不合理造成的过度台阶处的过渡圆角较小,是导致活塞杆应力集中的主要原因,在交变载荷的作用下,最终使活塞杆发生疲劳断裂。
【部分图文】：
。2断口形貌分析2.1宏观断口形貌分析断裂过程即是裂纹产生与发展的过程。金属材料零部件发生断裂时，首先形成微裂纹或者以原有的微裂纹、空穴、夹杂及第二相等作为破坏源，然后在外载荷的作用下，裂纹或者破坏源缓慢扩张，达到临界断裂尺寸时，发生瞬间断裂［8］。断裂前没有明显征兆，危害极大。现根据活塞杆断口形貌形成的规律，结合活塞杆实际的断裂及受力情况，对活塞杆断口表面的实际形貌进行初步观察，然后根据裂纹扩展的方向初步判定裂纹源的区域。观察断口形貌,，可把断口区分为整体断裂状态形貌图（图1a）、起始裂纹区（图1b）、裂纹扩展区图（图1c）、瞬间断裂区（图1d），见图1。可发现，活塞杆断口处疑似多源疲劳的特征及疲劳纹，初步判定图1b为疲劳源区。由图1a可以观察到，活塞杆在外部过渡台阶根部发生断裂，在断口处没有发现杯锥状的形貌，整个断口上活塞杆没有沿45°方向的断裂，而是有沿着与轴线90°垂直方向发生的断裂［9］，在瞬断区观察到类似韧窝的形貌及放射状的人字裂纹，同时在末尾处可以看到类似解离面的断口形貌，可直观判定活塞杆发生的是脆性断裂。还可以观察到，起始裂纹区占的面积最小，而疲劳裂纹的瞬断区占的面积最大，约占整个断面的1/2。产生图1a所示形貌特征的主要原因是过渡台阶的根部是应力集中的地方，也是产生疲劳微裂纹的敏感部位，在外加载荷的作用下，材料冶炼过程中留下的杂质及第二相等缺陷发生脆断首先产生微裂纹，随着微裂纹的扩展活塞杆最终发生瞬间断裂。由图1b可知，疲劳裂纹萌生于活塞杆外部表面过渡台阶的根部位置［10］。在活塞杆断裂的裂纹源边缘区域可看到很多二次疲劳小台阶［11］，直观反映了此活塞杆是多源疲劳断裂。此宏观形貌的产生是由于活?
次疲劳小台阶。在图1c疲劳断口扩展区域上清晰地看到贝壳状花纹（贝纹线），贝纹线以疲劳源区为中心，与裂纹扩展的方向垂直形成弧形线，说明活塞杆的断裂属于疲劳断裂。此形貌的形成是活塞杆在交变载荷的作用下微裂纹根部应力集中，当应力超越材料强度极限的时候，裂纹会进一步向活塞杆的内部延伸从而产生图中的扩展区［12］。在扩展区内疲劳裂纹的扩展速率比较慢，通常需要活塞杆经过多次交变载荷的加载作用才能形成，在扩展区的断口通常比起始裂纹区和瞬断区更平坦，在整个断口上扩展区所占的面积也相对较校在图1d的瞬断区中可以看到，瞬断区的断口呈放射状人字裂纹，非常粗糙，且越靠近活塞杆的中心部位断口的表面越粗糙，呈韧窝形貌，可以判定活塞杆发生疲劳断裂。这是因为裂纹扩展到中间部位的时候，越靠近中间部位活塞杆材料受到的应力越大，当疲劳裂纹扩展达到一定的临界尺寸时，裂纹发生快速的失稳扩展，导致活塞杆快速发生破坏从而完全断裂失效，产生了一段凸凹程度比较明显的人字纹撕裂棱，即图中的瞬间区。人字裂纹是分析活塞杆断裂的原因和性质的依据，也是判断裂纹源方向的依据。根据上述宏观形貌分析此活塞杆断裂的裂纹为张开型，在裂纹的尖端附近（r<<a）任意一点p（r，θ）处的应力：σx=σπa2πrcosθ2è1-sinθ2sin3θ2；σy=σπa2πrcosθ2è1+sinθ2sin3θ2；τxy=σπa2πrcosθ2sinθ2sin3θ2；σz=ìíσπa2πrνcosθ2(平面应变)0(平面应力)。式中ν为泊松比，上述公式只适用于裂纹尖端附近。2.2断口微观分析为进一步分析活塞杆的断裂，在带EDS的扫描电
俳缋┱梗嗵懔粝乱惶跆跗＠吞跷?［14］。这些疲劳纹一旦萌生，活塞杆在随后交变载荷的作用下，断口将沿着微裂纹与应力轴呈一定交角的最大切应力方向，向纵深扩展。但由于应力状态是交变循环出现的，所以才会出现疲劳纹（图2c）。其中每一条纹代表一次载荷的循环，同时每条疲劳纹表示该循环下裂纹的前端位置。在交变载荷的作用下，由于裂纹的快速扩展，在断口上出现大量的二次裂纹（图2）。这些二次裂纹既有沿晶断裂也有穿晶断裂。2.3能谱分析对图2b中第二相在带能谱仪（EDS）的扫描电子显微镜下进行能谱分析，见图3。根据元素含量分析该粒子是45钢中硅的二相粒子，是造成活塞杆疲劳断裂主要的裂纹源。钢在冶炼过程中不可避免地会引入一些含Si等的杂质元素，于是，钢在凝固的过程中易形成粗大的金属或非金属夹杂物氧化物粒子，这些杂质粒子往往比较脆，在交变载荷的作用下杂质粒子自身破裂形成微裂纹，加上裂纹尖端应力比较集中，裂纹极易向基体中扩展，成为造成活塞杆疲劳断裂主要的裂纹源［15］。并且图2更能反映出其是造成活塞杆疲劳断裂的主要原因，因此，杂质粒子对疲劳裂纹的萌生起到非常重要的作用。因为杂质粒子与基体一般形成非共格的界面，在交变载荷的作用下，位错滑移到杂质粒子与基体结合的界面处，杂质粒子阻碍位错的向前继续滑移，位错就在界面处不断聚集［16］。由于位错长时间塞积最终导致界面结合处产生较大的应力集中，当其程度大于界面结合处的强度时，显微的空穴就会形成，随着交变载荷进一步作用，显微空穴就聚集成疲劳的微裂纹。夹杂物对活塞杆的危害在于其破坏了活塞杆基体材料的连续性，造成应力集中，在交变应力的作用下，裂纹优先从垂直应力方向的夹杂物尖角处萌生，降低活塞杆的疲劳
本文编号：2808370
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。2断口形貌分析2.1宏观断口形貌分析断裂过程即是裂纹产生与发展的过程。金属材料零部件发生断裂时，首先形成微裂纹或者以原有的微裂纹、空穴、夹杂及第二相等作为破坏源，然后在外载荷的作用下，裂纹或者破坏源缓慢扩张，达到临界断裂尺寸时，发生瞬间断裂［8］。断裂前没有明显征兆，危害极大。现根据活塞杆断口形貌形成的规律，结合活塞杆实际的断裂及受力情况，对活塞杆断口表面的实际形貌进行初步观察，然后根据裂纹扩展的方向初步判定裂纹源的区域。观察断口形貌,，可把断口区分为整体断裂状态形貌图（图1a）、起始裂纹区（图1b）、裂纹扩展区图（图1c）、瞬间断裂区（图1d），见图1。可发现，活塞杆断口处疑似多源疲劳的特征及疲劳纹，初步判定图1b为疲劳源区。由图1a可以观察到，活塞杆在外部过渡台阶根部发生断裂，在断口处没有发现杯锥状的形貌，整个断口上活塞杆没有沿45°方向的断裂，而是有沿着与轴线90°垂直方向发生的断裂［9］，在瞬断区观察到类似韧窝的形貌及放射状的人字裂纹，同时在末尾处可以看到类似解离面的断口形貌，可直观判定活塞杆发生的是脆性断裂。还可以观察到，起始裂纹区占的面积最小，而疲劳裂纹的瞬断区占的面积最大，约占整个断面的1/2。产生图1a所示形貌特征的主要原因是过渡台阶的根部是应力集中的地方，也是产生疲劳微裂纹的敏感部位，在外加载荷的作用下，材料冶炼过程中留下的杂质及第二相等缺陷发生脆断首先产生微裂纹，随着微裂纹的扩展活塞杆最终发生瞬间断裂。由图1b可知，疲劳裂纹萌生于活塞杆外部表面过渡台阶的根部位置［10］。在活塞杆断裂的裂纹源边缘区域可看到很多二次疲劳小台阶［11］，直观反映了此活塞杆是多源疲劳断裂。此宏观形貌的产生是由于活?
次疲劳小台阶。在图1c疲劳断口扩展区域上清晰地看到贝壳状花纹（贝纹线），贝纹线以疲劳源区为中心，与裂纹扩展的方向垂直形成弧形线，说明活塞杆的断裂属于疲劳断裂。此形貌的形成是活塞杆在交变载荷的作用下微裂纹根部应力集中，当应力超越材料强度极限的时候，裂纹会进一步向活塞杆的内部延伸从而产生图中的扩展区［12］。在扩展区内疲劳裂纹的扩展速率比较慢，通常需要活塞杆经过多次交变载荷的加载作用才能形成，在扩展区的断口通常比起始裂纹区和瞬断区更平坦，在整个断口上扩展区所占的面积也相对较校在图1d的瞬断区中可以看到，瞬断区的断口呈放射状人字裂纹，非常粗糙，且越靠近活塞杆的中心部位断口的表面越粗糙，呈韧窝形貌，可以判定活塞杆发生疲劳断裂。这是因为裂纹扩展到中间部位的时候，越靠近中间部位活塞杆材料受到的应力越大，当疲劳裂纹扩展达到一定的临界尺寸时，裂纹发生快速的失稳扩展，导致活塞杆快速发生破坏从而完全断裂失效，产生了一段凸凹程度比较明显的人字纹撕裂棱，即图中的瞬间区。人字裂纹是分析活塞杆断裂的原因和性质的依据，也是判断裂纹源方向的依据。根据上述宏观形貌分析此活塞杆断裂的裂纹为张开型，在裂纹的尖端附近（r<<a）任意一点p（r，θ）处的应力：σx=σπa2πrcosθ2è1-sinθ2sin3θ2；σy=σπa2πrcosθ2è1+sinθ2sin3θ2；τxy=σπa2πrcosθ2sinθ2sin3θ2；σz=ìíσπa2πrνcosθ2(平面应变)0(平面应力)。式中ν为泊松比，上述公式只适用于裂纹尖端附近。2.2断口微观分析为进一步分析活塞杆的断裂，在带EDS的扫描电
俳缋┱梗嗵懔粝乱惶跆跗＠吞跷?［14］。这些疲劳纹一旦萌生，活塞杆在随后交变载荷的作用下，断口将沿着微裂纹与应力轴呈一定交角的最大切应力方向，向纵深扩展。但由于应力状态是交变循环出现的，所以才会出现疲劳纹（图2c）。其中每一条纹代表一次载荷的循环，同时每条疲劳纹表示该循环下裂纹的前端位置。在交变载荷的作用下，由于裂纹的快速扩展，在断口上出现大量的二次裂纹（图2）。这些二次裂纹既有沿晶断裂也有穿晶断裂。2.3能谱分析对图2b中第二相在带能谱仪（EDS）的扫描电子显微镜下进行能谱分析，见图3。根据元素含量分析该粒子是45钢中硅的二相粒子，是造成活塞杆疲劳断裂主要的裂纹源。钢在冶炼过程中不可避免地会引入一些含Si等的杂质元素，于是，钢在凝固的过程中易形成粗大的金属或非金属夹杂物氧化物粒子，这些杂质粒子往往比较脆，在交变载荷的作用下杂质粒子自身破裂形成微裂纹，加上裂纹尖端应力比较集中，裂纹极易向基体中扩展，成为造成活塞杆疲劳断裂主要的裂纹源［15］。并且图2更能反映出其是造成活塞杆疲劳断裂的主要原因，因此，杂质粒子对疲劳裂纹的萌生起到非常重要的作用。因为杂质粒子与基体一般形成非共格的界面，在交变载荷的作用下，位错滑移到杂质粒子与基体结合的界面处，杂质粒子阻碍位错的向前继续滑移，位错就在界面处不断聚集［16］。由于位错长时间塞积最终导致界面结合处产生较大的应力集中，当其程度大于界面结合处的强度时，显微的空穴就会形成，随着交变载荷进一步作用，显微空穴就聚集成疲劳的微裂纹。夹杂物对活塞杆的危害在于其破坏了活塞杆基体材料的连续性，造成应力集中，在交变应力的作用下，裂纹优先从垂直应力方向的夹杂物尖角处萌生，降低活塞杆的疲劳
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