針對某起重機(jī)液壓缸中的活塞桿在運(yùn)行過程中發(fā)生的疲勞斷裂失效,從活塞桿的成分、斷口的形貌和實際工況確定裂紋源的位置和形成機(jī)理,并對斷裂的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:材料在冶煉過程中留下的夾雜物粒子、第二相粒子及設(shè)計不合理造成的過度臺階處的過渡圓角較小,是導(dǎo)致活塞桿應(yīng)力集中的主要原因,在交變載荷的作用下,最終使活塞桿發(fā)生疲勞斷裂。
【部分圖文】：

。2斷口形貌分析2.1宏觀斷口形貌分析斷裂過程即是裂紋產(chǎn)生與發(fā)展的過程。金屬材料零部件發(fā)生斷裂時，首先形成微裂紋或者以原有的微裂紋、空穴、夾雜及第二相等作為破壞源，然后在外載荷的作用下，裂紋或者破壞源緩慢擴(kuò)張，達(dá)到臨界斷裂尺寸時，發(fā)生瞬間斷裂［8］。斷裂前沒有明顯征兆，危害極大�，F(xiàn)根據(jù)活塞桿斷口形貌形成的規(guī)律，結(jié)合活塞桿實際的斷裂及受力情況，對活塞桿斷口表面的實際形貌進(jìn)行初步觀察，然后根據(jù)裂紋擴(kuò)展的方向初步判定裂紋源的區(qū)域。觀察斷口形貌,，可把斷口區(qū)分為整體斷裂狀態(tài)形貌圖（圖1a）、起始裂紋區(qū)（圖1b）、裂紋擴(kuò)展區(qū)圖（圖1c）、瞬間斷裂區(qū)（圖1d），見圖1。可發(fā)現(xiàn)，活塞桿斷口處疑似多源疲勞的特征及疲勞紋，初步判定圖1b為疲勞源區(qū)。由圖1a可以觀察到，活塞桿在外部過渡臺階根部發(fā)生斷裂，在斷口處沒有發(fā)現(xiàn)杯錐狀的形貌，整個斷口上活塞桿沒有沿45°方向的斷裂，而是有沿著與軸線90°垂直方向發(fā)生的斷裂［9］，在瞬斷區(qū)觀察到類似韌窩的形貌及放射狀的人字裂紋，同時在末尾處可以看到類似解離面的斷口形貌，可直觀判定活塞桿發(fā)生的是脆性斷裂。還可以觀察到，起始裂紋區(qū)占的面積最小，而疲勞裂紋的瞬斷區(qū)占的面積最大，約占整個斷面的1/2。產(chǎn)生圖1a所示形貌特征的主要原因是過渡臺階的根部是應(yīng)力集中的地方，也是產(chǎn)生疲勞微裂紋的敏感部位，在外加載荷的作用下，材料冶煉過程中留下的雜質(zhì)及第二相等缺陷發(fā)生脆斷首先產(chǎn)生微裂紋，隨著微裂紋的擴(kuò)展活塞桿最終發(fā)生瞬間斷裂。由圖1b可知，疲勞裂紋萌生于活塞桿外部表面過渡臺階的根部位置［10］。在活塞桿斷裂的裂紋源邊緣區(qū)域可看到很多二次疲勞小臺階［11］，直觀反映了此活塞桿是多源疲勞斷裂。此宏觀形貌的產(chǎn)生是由于活?

次疲勞小臺階。在圖1c疲勞斷口擴(kuò)展區(qū)域上清晰地看到貝殼狀花紋（貝紋線），貝紋線以疲勞源區(qū)為中心，與裂紋擴(kuò)展的方向垂直形成弧形線，說明活塞桿的斷裂屬于疲勞斷裂。此形貌的形成是活塞桿在交變載荷的作用下微裂紋根部應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超越材料強(qiáng)度極限的時候，裂紋會進(jìn)一步向活塞桿的內(nèi)部延伸從而產(chǎn)生圖中的擴(kuò)展區(qū)［12］。在擴(kuò)展區(qū)內(nèi)疲勞裂紋的擴(kuò)展速率比較慢，通常需要活塞桿經(jīng)過多次交變載荷的加載作用才能形成，在擴(kuò)展區(qū)的斷口通常比起始裂紋區(qū)和瞬斷區(qū)更平坦，在整個斷口上擴(kuò)展區(qū)所占的面積也相對較校在圖1d的瞬斷區(qū)中可以看到，瞬斷區(qū)的斷口呈放射狀人字裂紋，非常粗糙，且越靠近活塞桿的中心部位斷口的表面越粗糙，呈韌窩形貌，可以判定活塞桿發(fā)生疲勞斷裂。這是因為裂紋擴(kuò)展到中間部位的時候，越靠近中間部位活塞桿材料受到的應(yīng)力越大，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定的臨界尺寸時，裂紋發(fā)生快速的失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致活塞桿快速發(fā)生破壞從而完全斷裂失效，產(chǎn)生了一段凸凹程度比較明顯的人字紋撕裂棱，即圖中的瞬間區(qū)。人字裂紋是分析活塞桿斷裂的原因和性質(zhì)的依據(jù)，也是判斷裂紋源方向的依據(jù)。根據(jù)上述宏觀形貌分析此活塞桿斷裂的裂紋為張開型，在裂紋的尖端附近（r<<a）任意一點p（r，θ）處的應(yīng)力：σx=σπa2πrcosθ2è1-sinθ2sin3θ2；σy=σπa2πrcosθ2è1+sinθ2sin3θ2；τxy=σπa2πrcosθ2sinθ2sin3θ2；σz=ìíσπa2πrνcosθ2(平面應(yīng)變)0(平面應(yīng)力)。式中ν為泊松比，上述公式只適用于裂紋尖端附近。2.2斷口微觀分析為進(jìn)一步分析活塞桿的斷裂，在帶EDS的掃描電

俳繢┱梗嗵懔糲亂惶跆跗＠吞蹺?［14］。這些疲勞紋一旦萌生，活塞桿在隨后交變載荷的作用下，斷口將沿著微裂紋與應(yīng)力軸呈一定交角的最大切應(yīng)力方向，向縱深擴(kuò)展。但由于應(yīng)力狀態(tài)是交變循環(huán)出現(xiàn)的，所以才會出現(xiàn)疲勞紋（圖2c）。其中每一條紋代表一次載荷的循環(huán)，同時每條疲勞紋表示該循環(huán)下裂紋的前端位置。在交變載荷的作用下，由于裂紋的快速擴(kuò)展，在斷口上出現(xiàn)大量的二次裂紋（圖2）。這些二次裂紋既有沿晶斷裂也有穿晶斷裂。2.3能譜分析對圖2b中第二相在帶能譜儀（EDS）的掃描電子顯微鏡下進(jìn)行能譜分析，見圖3。根據(jù)元素含量分析該粒子是45鋼中硅的二相粒子，是造成活塞桿疲勞斷裂主要的裂紋源。鋼在冶煉過程中不可避免地會引入一些含Si等的雜質(zhì)元素，于是，鋼在凝固的過程中易形成粗大的金屬或非金屬夾雜物氧化物粒子，這些雜質(zhì)粒子往往比較脆，在交變載荷的作用下雜質(zhì)粒子自身破裂形成微裂紋，加上裂紋尖端應(yīng)力比較集中，裂紋極易向基體中擴(kuò)展，成為造成活塞桿疲勞斷裂主要的裂紋源［15］。并且圖2更能反映出其是造成活塞桿疲勞斷裂的主要原因，因此，雜質(zhì)粒子對疲勞裂紋的萌生起到非常重要的作用。因為雜質(zhì)粒子與基體一般形成非共格的界面，在交變載荷的作用下，位錯滑移到雜質(zhì)粒子與基體結(jié)合的界面處，雜質(zhì)粒子阻礙位錯的向前繼續(xù)滑移，位錯就在界面處不斷聚集［16］。由于位錯長時間塞積最終導(dǎo)致界面結(jié)合處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，當(dāng)其程度大于界面結(jié)合處的強(qiáng)度時，顯微的空穴就會形成，隨著交變載荷進(jìn)一步作用，顯微空穴就聚集成疲勞的微裂紋。夾雜物對活塞桿的危害在于其破壞了活塞桿基體材料的連續(xù)性，造成應(yīng)力集中，在交變應(yīng)力的作用下，裂紋優(yōu)先從垂直應(yīng)力方向的夾雜物尖角處萌生，降低活塞桿的疲勞

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