液压油缸活塞杆断裂失效分析

液压油缸活塞杆断裂失效分析

朱安陆

(江苏省特种设备安全监督检验研究院徐州分院江苏徐州221000)

摘要：某发电厂一使用中的锅炉自动上水阀液压油缸活塞杆突然发生断裂，断裂部位位于一段螺纹处。经了解，该活塞杆材质为42CrMo，其他热处理条件、尺寸等未知。该事故造成正在运转的发电机组紧急停车，为查明断裂原因，受企业委托对其进行失效分析。

关键词：液压油缸；活塞杆断裂；失效分析

1、宏观形貌分析

活塞杆断口原始形貌及经超声波清洗后的形貌如图1所示。

通过活塞杆的宏观形貌可以发现，该断裂发生在螺纹根部，断面与活塞杆轴向垂直，断口平整光滑，未见疲劳痕迹，也无明显的放射线及宏观塑性变形，但可见到剪切唇，因此该断裂属于脆性断裂。同时断口表面出现一些结晶状断口的特征，说明该材料脆性较大。裂纹源位于图示位置。

图1宏观形貌

2、化学成分分析

活塞杆经线切割取样后，对其进行C、Si、Mn、P、S及Cr、Mo元素的化学分析，结果（质量分数）及标准成分（GB/T3077-1999）对照表见表1。

表1活塞杆化学成分及标准成分对照表（wt％）

成分分析结果显示，该活塞杆的化学成分符合42CrMo钢标准成分要求。

3、螺纹加工质量检查

对活塞杆螺纹加工质量进行了检查，如图2所示。从图可以发现，该活塞杆螺纹根部存在较多尖锐的加工缺陷，导致这些地方容易产生应力集中并发展成裂纹。

图2螺纹加工情况

4、金相组织分析

金相分析结果可以发现：（1）活塞杆基体材料中含有大量孔洞，这些孔洞大小不一，有的已经成为微裂纹，这与活塞杆的加工工艺有关；（2）基体材料中含有大量夹杂且聚集严重形成微裂纹。

这些缺陷的存在破坏了组织的连续性，成为应力集中源、裂纹源，显著降低材料的力学性能，尤其是降低对疲劳、冲击或应力腐蚀引起的裂纹扩展的抗力，在一定载荷下导致零部件断裂失效。

5、硬度测试

利用线切割在活塞杆断裂附近从表面到心部取样，进行磨抛后，利用显微硬度计对试样边缘、1/2R、心部进行硬度测试，测试结果如表2所示。

从表2可以看出，活塞杆的硬度变化不大，且边缘硬度比预期要低。国标GB/T3077-1999《合金结构钢》中规定，Cr-Mo系列合金钢（以35CrMo为参考）供货状态下的硬度≤229HB（240HV），而实际测得的硬度，边缘为256.65HV，1/2R为262.29HV，心部为242.66HV，与供货状态下材料硬度相当，说明该活塞杆没有进行热处理加工。

表2硬度测试结果

6、结论

(1)硬度测试结果表明，该活塞杆硬度与国标规定的供货状态下材料硬度接近，说明其没有进行热处理。按理应具有较好的韧性，但根据宏观断口形貌分析该断裂为脆性断裂，结合金相组织可以认为导致材料脆性增大的原因是其内部大量的缺陷和夹杂；

(2)该活塞杆螺纹根部存在较多尖锐的加工缺陷，导致这些地方容易产生应力集中并发展成裂纹；

(3)金相分析结果显示：活塞杆基体材料中含有大量孔洞，部分已经成为微裂纹，同时基体材料中含有大量夹杂且聚集严重形成微裂纹；这些缺陷的存在破坏了组织的连续性，成为应力集中源、裂纹源，显著降低材料的力学性能，尤其是降低对疲劳、冲击或应力腐蚀引起的裂纹扩展的抗力，在一定载荷下导致零部件断裂失效。

(4)成分分析结果显示，该活塞杆的化学成分符合42CrMo钢标准成分要求。