分享：液压油缸缸筒爆裂原因

张 强,王书强,王 伟

[国家船舶材料质量监督检验中心(江苏),江阴 214434]

摘 要:采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、金相检验等方法对某液压油缸缸筒的爆 裂原因进行了分析。结果表明:液压油缸缸筒组织不均匀,存在混晶,导致材料的脆性较强;焊接工 艺不当导致在焊接起弧点附近出现裂纹,引起应力集中,在较大应力作用下,裂纹快速扩展导致油 缸缸筒爆裂。 

关键词:液压油缸;脆性断裂;应力集中;裂纹 

中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)08-0058-03

液压油缸是将液压能转变为机械能、做直线往复 运动(或摆动运动)的液压执行元件,在正常服役条件 下需承受很大的压力。液压油缸的结构简单,在工程 机械等领域得到广泛应用。某液压油缸缸筒在正常 服役300h左右发生爆缸开裂事故。该油缸缸筒材 料为 45 # 钢,规 格 (外 径 × 壁 厚 )为 280 mm × 15mm,加工工艺为调质→热轧→冷拔→正火。 为了查明液压油缸缸筒爆裂的原因,笔者对爆 裂后的 液 压 油 缸 缸 筒 进 行 了 一 系 列 理 化 检 验 与 分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察 

爆裂的液压油缸缸筒宏观形貌如图1所示,可见缸筒一侧外表面焊接了一个导向套,导向套焊接 位置距离缸筒一侧端头约120 mm,液压油缸筒体 上有一条纵向的几乎成直线的穿透性主裂纹,该主 裂纹靠近导向套和缸筒的焊接部位,裂纹穿过导向 套后开始分叉并变得弯曲,形成数条次裂纹,裂纹基 本贯穿整个长度方向,缸筒左侧端头至导向套末端 区域 裂 纹 较 宽,裂 纹 张 开 的 缝 隙 宽 度 约 为 2~ 3mm,裂纹缝隙继续延伸分叉后宽度变窄,油缸缸 筒外表面无明显的塑性变形及鼓胀现象[1]。 

用线切割方式沿液压油缸缸筒断裂面打开缸筒, 观察主裂纹断口,其宏观形貌如图2所示。由图2可 58知:主裂纹断口平齐,有金属光泽且呈银灰色,为典型 的脆性断裂宏观特征。在导向套和缸筒的焊接热影 响区有一个半椭圆形的凹面,另一半断口对应位置则 表现 为 凸 面,凹 面 的 长 度 约 为 4 mm,深 度 约 为 1.5mm。凹面左右两侧均可见明显的放射状条纹, 放射状条纹收敛于该半椭圆形凹面,开裂源区的宏观 形貌如图3所示,可推断该半椭圆形凹面应该是液压 油缸缸筒爆裂的裂纹源区域。观察发现,该凹面位置 正好位于导向套和缸筒焊接的端部边缘热影响区,进 一步了解后得知该位置正好为焊接的起弧点。 

1.2 化学成分分析

采用线切割方式在爆裂液压油缸缸筒上截取试 样 ,用直读光谱仪对其进行化学成分分析,结果如表1 所示,由表 1 可以看出:其化学成分均满足 GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》对45 # 钢的要求。

1.3 力学性能测试 

按照 GB/T699—2015标准对45 # 钢的要求, 在液压油缸缸筒上取样并进行拉伸和冲击试验,结 果如表2所示,试样的抗拉强度、屈服强度均满足标 准要求,但其断后伸长率、断面收缩率和冲击吸收能 量均明显低于标准要求。

1.4 扫描电镜(SEM)分析

在裂纹源凹坑附近切取试样,用酒精清洗后在 SEM 下观察,结果如图4所示,可见凹坑呈月牙形, 表面平整,边缘有明显的台阶[见图4a)],将凹坑内 部放大后观察,发现表面呈细小的小韧窝特征[见图 4b)],凹坑以外的断裂面均有明显的解理台阶和河 流花样,符合解理脆性断裂的特征,裂纹源附近未见 明显的疲劳断裂特征[见图4c)][2-3]。

1.5 金相检验 

在爆裂液压油缸缸筒靠近焊接位置的凹坑处附 近取样,将试样平行于断裂面的平面磨抛后,在光学 显微镜下观察,按 GB/T10561—2005《钢中非金属 夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》中 A 法 评定夹杂物级别为:硫化物(A)0 级,氧化铝(B)0 级,硅酸盐(C)0级,球状氧化物(D)0级,材料纯净 度较好,未发现明显冶金缺陷及非金属夹杂物聚集 现象[4]。 试样经体 积 分 数 为 4% 的 硝 酸 酒 精 溶 液 侵 蚀 后,对全壁厚截面进行组织观察,得到显微组织为网 状铁素体+珠光体组织,有明显的偏析,组织不均匀,存在混晶,部分珠光体呈不均匀的大块状,部分 铁素体呈针状,具有魏氏组织特征,组织形态较差, 液压油缸缸筒的显微组织如图5所示。 

2 综合分析

该液压油缸缸筒的化学成分符合 GB/T699— 2015对45 # 钢的要求。力学性能测试结果表明:液 压油缸缸筒的抗拉强度、屈服强度满足标准要求,但 断后伸长率、断面收缩率和冲击吸收能量均明显低 于标准要求,因此材料抵抗破坏的能力较低,脆性较 强,一旦产生裂纹,裂纹很容易迅速扩展[5]。 金相检验结果表明:液压油缸缸筒的显微组织 为网状铁素体+珠光体组织,存在明显的偏析,组织 不均匀,部分珠光体呈不均匀的大块状,部分铁素体 呈针状,具有魏氏组织特征,组织形态较差是导致材 料断后伸长率和冲击吸收能量偏低的主要原因。 断口SEM 分析结果表明:液压油缸缸筒先形 成了一条穿透性主裂纹,后分叉形成数条次裂纹,油 缸缸筒外表面无明显的塑性变形及鼓胀。主裂纹断 口平齐有金属光泽,断口上可见收敛于半椭圆形凹 面的放射状条纹,为典型的脆性断裂宏观特征[6]。 该凹面正好位于导向套和缸筒焊接的起弧点边缘热 影响区,焊缝的起弧点在焊接时冷却速度很快,如果 焊接工艺不当,则很容易在此位置产生裂纹[7]。

综上所述,该液压油缸缸筒爆裂的过程为:首先 在导向套和缸筒焊接的起弧点热影响区位置产生半 椭圆形凹面裂纹,油缸服役时的过冲会带来较大的 工作应力,使油缸表面受较大拉应力,当裂纹穿过热 影响区后快速扩展,导致油缸缸筒爆裂。

3 结论 

(1)液压油缸缸筒组织不均匀,部分珠光体呈 不均匀的大块状,部分铁素体呈针状,具有魏氏组织 特征,因此材料的断后伸长率、断面收缩率和冲击韧 性较低,脆性较强。 (2)液压油缸缸筒的焊接工艺不当使焊接起弧 点附近出现裂纹,引起应力集中,缸筒服役过程中, 在较大工作应力作用下裂纹快速扩展,最终导致油 缸缸筒爆裂。

参考文献: 

[1] 王荣.液压油缸外筒爆裂分析[J].理化检验(物理分 册),2011,47(9):570-574. [2] 王温银,顾永琴,叶海燕.液压油缸开裂失效分析[J]. 金属热处理,2014,39(5):150-153. [3] 孙永庆,刘 振 宝,李 文 辉,等.05Cr17Ni4Cu4Nb 钢 液 压油缸开裂失效分析[J].金属热处理,2018,43(11): 239-242. [4] 杨晓,王世宁,张先锋,等.34CrNi3Mo钢制轧辊断裂 原因分析[J].理化检验 (物 理 分 册),2019,55(10): 741-744. [5] 马小明,熊烨.高压水泵主轴断裂失效分析[J].石油 化工设备技术,2010,31(4):35-37. [6] 钟群鹏,周煜,张峥.裂纹学[M].北京:高等教育出版 社,2014. [7] 于在洪,温景辉,姜海雨.焊接裂纹的产生原因及防止 措施[J].科技信息,2011(8):769-770.

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