蓄能器材料為35CrMo鋼,該鋼的顯微組織為回火索氏體＋鐵素體。35CrMo鋼的強(qiáng)度高、塑性及韌性好,具有良好的綜合力學(xué)性能。35CrMo鋼常用于制造汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床及其他要求具有良好綜合力學(xué)性能的各種重要零部件,如柴油機(jī)連桿螺栓、汽車底盤上的半軸以及機(jī)床主軸等[1]。 

某廠使用35CrMo鋼管生產(chǎn)蓄能器,該蓄能器的加工工藝流程為：下料→熱軋→退火→調(diào)質(zhì)處理,調(diào)質(zhì)處理工藝為淬火＋高溫回火處理。該蓄能器在使用1 a后發(fā)生泄漏事故,靜水壓試驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)蓄能器殼體管壁存在裂紋。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對其開裂原因進(jìn)行分析,以防止該類事故再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

蓄能器殼體宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：目視無法識(shí)別外壁裂紋,內(nèi)壁裂紋清晰可見。 

圖  1  蓄能器殼體宏觀形貌

在開裂位置制備1～4號試樣,在內(nèi)壁未經(jīng)打磨的區(qū)域制備5號試樣,對6號試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測試(見圖2)[2]。 

圖  2  取樣位置

內(nèi)壁先開裂的區(qū)域斷口呈黑色且顏色黯淡,后續(xù)開裂的區(qū)域顏色呈灰色,呈現(xiàn)平直特征,3號試樣斷口宏觀形貌如圖3所示。 

圖  3  3號試樣斷口宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

對6號試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：蓄能器殼體的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對35CrMo鋼的技術(shù)要求。 

1.3   掃描電鏡分析

將3號試樣置于掃描電鏡(SEM)下觀察,結(jié)果如圖4所示。 

圖  4  3號試樣裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)SEM形貌

1.4   力學(xué)性能測試

對6號試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試,結(jié)果如表2所示。由表2可知： 蓄能器殼體的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015對35CrMo無縫鋼管的技術(shù)要求[3－4]。 

1.5   金相檢驗(yàn)

將2號試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：裂紋呈豎直方向,且與內(nèi)壁垂直,裂紋兩側(cè)組織與基體組織一致,無氧化脫碳現(xiàn)象。 

圖  5  2號試樣裂紋微觀形貌

將4號試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：斷裂面存在裂紋。 

圖  6  4號試樣微觀形貌(拋光態(tài))

將5號試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：鋼管殼體內(nèi)壁存在氣泡、凹坑等表面缺陷。 

圖  7  5號試樣內(nèi)壁微觀形貌

在蓄能器殼體中取樣,并對試樣進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn),評級結(jié)果為：硅酸鹽C0.5級,球狀氧化物D1.5級。1號試樣非金屬夾雜物微觀形貌如圖8所示。蓄能器殼體中的非金屬夾雜物級別達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》的要求。 

圖  8  1號試樣非金屬夾雜物微觀形貌

2號試樣顯微組織形貌如圖9所示。黑色區(qū)域晶粒度評級結(jié)果為9級,白色區(qū)域晶粒度評級結(jié)果為7級,心部與表面晶粒度級別未見明顯差異。高級優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼的晶粒度要求應(yīng)為5級或更細(xì),蓄能器殼體金屬晶粒度符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》要求。 

圖  9  2號試樣顯微組織形貌

5號試樣的顯微組織形貌如圖10所示。由圖10可知：顯微組織為回火索氏體＋鐵素體,評級結(jié)果均為2級。顯微組織符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13320—2007 《鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》要求[5]。 

圖  10  5號試樣顯微組織形貌

2.   綜合分析

蓄能器利用氣體(氮?dú)?的可壓縮性來達(dá)到儲(chǔ)存液體的目的,當(dāng)壓力升高時(shí),油液進(jìn)入蓄能器,氣體被壓縮,當(dāng)壓力下降時(shí),壓縮氣體膨脹,油液壓入回路[6]。 

35CrMo鋼蓄能器殼體的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。蓄能器殼體經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理,組織得到細(xì)化,具有良好的力學(xué)性能,但由于穿孔時(shí)內(nèi)壁存在凹坑、氣泡等表面缺陷,內(nèi)壁質(zhì)量不合格,使其在軋管、定徑等工序中產(chǎn)生裂紋。蓄能器在使用過程中受內(nèi)部介質(zhì)氣體和液壓油的反復(fù)加壓,微裂紋逐漸擴(kuò)展至管壁外表面,最終導(dǎo)致蓄能器開裂。 

3.   結(jié)論與建議

制做蓄能器殼體的鋼管存在微裂紋,蓄能器工作時(shí),內(nèi)部介質(zhì)氣體和液壓油產(chǎn)生的壓力使微裂紋逐步擴(kuò)展,導(dǎo)致蓄能器開裂。 

建議嚴(yán)格控制產(chǎn)品加工工藝,加強(qiáng)過程控制和完善關(guān)鍵控制點(diǎn)的檢驗(yàn)檢測工作。加強(qiáng)質(zhì)量管理,對不符合標(biāo)準(zhǔn)的工序嚴(yán)格管控,保證35CrMo熱軋無縫鋼管的質(zhì)量,避免產(chǎn)生裂紋。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)