超硬材料六面顶液压机铰链梁断裂失效分析

超硬材料六面顶液压机铰链梁断裂失效分析
农建中;谢正松;吴一;胡毅胜
【摘要】通过对超硬材料六面顶液压机铰链梁断口表面进行宏观观察,材料化学分析,力学性能测试,断口扫描电镜观察,能谱分析和显微组织分析,找出了铰链梁的断裂失效原因.综合理化数据分析研究得出结论,超硬材料六面顶液压机铰链梁铸件中的氧化物和硫化物严重夹杂是产生断裂的主要原因,铸件中的缩松、成分偏析、也加速了疲劳和裂纹的扩展,最终使铰链梁断裂.
【期刊名称】《超硬材料工程》
【年(卷),期】2011(023)006
【总页数】5页(P5-9)
【关键词】六面顸液压机;铰链梁;氧化物、硫化物夹杂;断裂失效分析
【作者】农建中;谢正松;吴一;胡毅胜
【作者单位】桂林桂冶实业有限公司,广西桂林541001;桂林桂冶实业有限公司,广西桂林541001;桂林理工大学,广西桂林541004;桂林桂冶实业有限公司,广西桂林541001
【正文语种】中文
【中图分类】TQ164
1 前言
金刚石是自然界已发现的具有最高的硬度、强度、耐磨性材料，金刚石具有的热导
率、透过波段、声速以及半导体特性和化学惰性等综合性能使其成为当今世界上最优秀的全方位材料［1］。

它广泛应用于航天航空、船舶、加工业、建材业、汽车、国防等领域，是军事和某些尖端技术的关键材料。

但由于天然金刚石数量有限，必须进行人工合成方成满足需要。

超硬材料六面顶液压机就是生产人造金刚石的设备之一。

目前世界上用于金刚石生产的静态超高压高温设备有三种类型：一种是以西方工业发达国家为代表的年轮式两面顶压机，二是中国的铰链式六面顶压机，三是俄罗斯、乌克兰的双面凹砧型压机［2］。

这三种不同类型的压机各有特点，从使用实际效果看，目前我国拥有自主知识产权的铰链式六面顶压机已成当今的主流，这是我国科学家和工程技术人员经过几十年奋斗得到的成果。

现在全世界金刚石的年产量为9.0×109克拉左右。

有超过95%以上的金刚石是用中国产的铰链式六面顶液压机生产出来的。

可见，铰链式六面顶液压机在世界超硬材料行业中已经显示出非常突出的地位。

超硬材料六面顶液压机最重要的部件是铰链梁，它一直是许多科研人员和工程技术人员的研究对象，对其性能展开研究特别对铰链梁的断裂失效进行分析具有重要的意义。

某型号超硬材料六面顶液压机，工作压力是90MPa左右，运行半年后，发生铰链梁耳朵断裂。

铰链梁的材质为ZG35NiCr Mo，耳朵厚度为152mm，铸造而成。

为查明铰链梁耳朵开裂原因，在耳朵残件壁厚上取样进行检验分析。

开裂位置如图1所示。

2 理化检验
2.1 断口分析
图1 铰链梁耳朵开裂断口的宏观形貌照片Fig.1 Macrograph of the fracture in the ear of hinge beam
图1显示断口断面粗糙，无明显塑性变形特征，属脆性断口，从断口心部向外边
缘有放射性条纹。

图2 铰链梁耳朵开裂断口的微观形貌照片Fig.2 Micro－morphology of the fracture in the ear of hinge beam
图2可以看出，断口形貌为裂纹扩展区的微观形貌。

图3 铰链梁耳朵开裂断口区域铸造缺陷微观形貌照片Fig.3 Micro－morphology of casting defects in the fracture zone of the ear of hinge beam
图3中可见该区域断面上密集分布着许多缩松类铸造缺陷，缺陷放大后为枝晶形貌。

2.2 化学成分分析
在断裂铰链梁的耳朵上取样进行化学成分分析，结果见表1，可见各元素含量均满足JB／T5000.6－2007标准对ZG35NiCr Mo的技术要求。

表1 断裂铰链梁耳朵的化学成分（质量分数）%Table 1 Chemical constituents of the ear from the hinge beam（mass）%条件C Si Mn S p Cr Ni Mo测试值0.32 0.65 0.75 0.024 0.020 0.57 0.64 0.42标准值0.30～0.37 0.60～0.90 0.70～1.10≤0.035≤0.035 0.40～0.90 0.60～0.90 0.40～0.50
2.3 力学性能测试
在断裂铰链梁部位用线切割取样加工成标准试棒后进行拉伸，试样按耳朵厚度分别取外（1＃）、内（2＃）、外（3＃）三件试样，冲击试样按与耳朵中心线平行方向任取4件试样，分别是1＃、2＃、3＃、4＃，测试结果见表2、表3，可见其塑性指标断后伸长率及断面收缩率均不符合TB／T5000.6－2007对ZG35NiCr Mo的技术要求，韧性指标也很低。

表2 断裂铰链梁耳朵试样的力学性能Table 2 Mechanical properties of the test samples from the cracked hinge beam试样取样方向备注1＃（外）垂直σb σs ψδ5（MPa）（MPa）（%）（%）硬度值（HRC）820 735 15 8 27 2＃
（内）垂直770 670 13 7 27 3＃（外）垂直820 730 15 8 28.5标准值
≥830≥660≥30≥14－
表3 断裂铰链梁耳朵试样冲击试验测试结果Table 3 Impact test results of the samples from the cracked hinge beam
2.4 能谱分析
图4显示铰链梁断裂试样中硫含量高达6.82%，它会和钢中的铁元素结合，形成低熔点的FeS，在冷却过程中向铸件内部偏聚，易导致中间裂纹产生。

同时发现有较多的杂质，主要元素为钙、硫、镁、铝及大量的氧化物和硫化物。

图5中发现Cr高达1.85%，存在成分偏析的原因是由于脱氧产物去除不充分而遗留在钢液中，尤其是冶炼中产生的夹杂物，特别是Cr2 O3和AlO3夹杂，它们熔点很高，硬度大，在形成大尺寸夹杂物后，极易产生裂纹。

图4 铰链梁断裂试样能谱分析照片及数据Fig.4 EDS results of the sample from the cracked hinge beam
图5 铰链梁断裂试样成分偏析能谱分析照片及数据Fig.5 EDS results of the sample component segregation from the cracked hinge beam
2.5 显微组织分析
垂直于铰链梁耳朵断面处用线切割取样并磨制纵向金相试样4件，分别为1＃、2＃、3＃、4＃，用4%硝酸酒精腐蚀，并在100倍视场条件下观察其显微组织。

图6 铰链梁断裂试样硫化物氧化物夹杂扩展显微组织照片Fig.6 The micro graph of sulfide and oxide inclusions in the sample from the cracked hinge beam 表4 试样夹杂物检测统计结果Table 4 Results of inclusions detection?
表5 各个试样显微组织检测结果Table 5 Results of metallographic analysis试样编号表面缺陷显微组织显微硬度（HRC）试样编号表面缺陷显微组织显微硬度（HRC）1＃未见裂纹回火索氏体＋铁素体21 3＃见网状裂纹回火索氏体＋铁素体
20 2＃未见裂纹回火索氏体＋铁素体22 4＃见网状裂纹回火索氏体＋铁素体20
图7 铰链梁断裂试样热处理显微组织（回火索氏体＋铁素体）照片Fig.7 The micrograph of the sample from cracked hinge beam after heat treatment （tempered sorbite and ferrite）
3 综合分析
由以上理化检验结果可知，铰链梁化学成分符合标准要求，但从断口发现存在严重的缩松和大量的氧化物和硫化物夹杂。

缩松是铸造凝固过程中，由于溶液补缩不充分而形成的微区缺陷。

铸件中任何位置有缩孔或缩松的存在，一方面会使铸件有效承载面积减小，另一方面易在缩松部位产生应力集中，使铸件的力学性质显著降低，从而导致裂纹的出现［3］。

由能谱分析可知，杂质主要元素为钙、硫、镁、铝及大量的氧化物和硫化物。

当这些夹杂物基体的界面性质一定时，铁素体在夹杂物上形核，形成的夹杂物附着在铁素体上，由于铁素体的强度很低，所以易产生裂纹［4］。

晶界处硫化物和氧化物的存在，严重割裂了基体的连续性，也会大大降低铸件的力学性质，为裂纹形成提供条件。

从显微组织检验结果可以看出，由各个试样的热处理工艺可知，经回火后的铸件正常，显微组织为回火索氏体＋铁素体。

但各个试样中的夹杂物主要为硫化物和氧化物，这表明炼钢过程对其控制得不好，硫化物夹杂呈链状分布，易产生晶间脆性，导致裂纹产生，裂纹都是沿着晶界处硫化物和氧化物形核的方向扩展，逐渐断裂。

从力学性能试验已经得以证明，硫化物和氧化物夹杂对铰链梁的材料塑性、韧性指标影响非常大，导致塑性、韧性指标都达不到标准要求。

4 结论
铰链梁耳朵断裂是由于裂纹的产生，而铸件存在大量的氧化物和硫化物夹杂是裂纹产生的主要原因，铸造缩松和成分偏析也促进了铰链梁断裂的发生。

（1）虽然钢水成分硫含量检验合格，但由于形成低熔点FeS会向铸件中心偏聚，
导致铸件心部FeS含量过高而导致裂纹的产生。

（2）铸件中的脱氧产物含量多，增加了其聚集长大的几率，易形成大型夹杂物而导致裂纹的产生。

（3）改进冶炼、正火工艺，使铸造缺陷及缺陷组织得到消除。

（4）可考虑适当增加Mo元素的用量，或者采用在A1－A3临界区亚温淬火的方法以减少高温回火脆性［5］倾向，防止裂纹产生。

参考文献：
［1］王享瑞，雷王民，玄真武，何敬晖，董长顺.论化学气相沉积（CVD）金刚石技术最新发展［J］.超硬材料工程，2010（1）：22－27.
［2］王先祖，王芸.浅析21世纪是中国金刚石世纪［J］.超硬材料工程，2010（1）：31－33.
［3］燕样样.蜗轮的失效分析［J］.热加工工艺，2008，37（9）：91，103. ［4］赵建床，铸铁铸钢及其熔炼［M］.北京：机械工业出版社，2007.
［5］咸阳机械制造学院.钢的热处理［M］.北京：机械工业出版社，1979.。