铰链梁铰耳断裂原因分析

我国是人造金刚石第一生产大国[1]，铰链式六面顶液压机是人造金刚石的生产设备，铰链梁是六面顶中最重要的部件[2]。某厂的铰链梁在使用过程中铰耳发生断裂，铰耳是铰链梁的关键部位，承受较大作用力。统计发现半年时间内共有10件铰链梁的铰耳发生了断裂，而且断裂特征相似，因此急需找到铰链梁铰耳断裂的原因。该批铰链梁材料为ZG35Cr1Mo铸钢，生产工艺为：中频炉铸造→正火→回火→机加工→调质处理。为了查明铰耳断裂的原因，笔者采用宏观分析、化学成分分析、力学性能测试、金相检验、断口扫描电镜分析等方法对断裂铰耳进行了检验和分析，以避免类似事故的再次发生。

1 理化检验

1.1 断口宏观观察

铰链梁铰耳断口低倍形貌如图1所示，可见断口齐平，无塑性变形特征，呈贝壳状断口特征，断口面上晶粒形貌明显，晶粒直径大约为1 mm。

  

图1 铰耳断口低倍形貌Fig.1 Low multiple morphology of the hinge ear fracture

1.2 化学成分分析

在铰链梁铰耳处取样进行化学成分分析，结果见表1，可见其化学成分满足JB/T6402-2006《大型低合金钢铸件》对ZG35Cr1Mo铸钢成分的要求。

林区郁闭度低主要是指该区域中的林木郁闭度低于0.7的人工林或郁闭度低于0.6的天然林，管理人员也要分情况落实森林抚育管理工作[3]。如果郁闭度较低，幼龄木生长易受到其他植物的抑制，但情况较好的林区，管理人员需要重点调节幼龄木与其他植物的营养，帮助幼龄木获取更多的生长营养元素，帮助其快速成长。具体可通过伐除其他植株，移栽生长密集的幼苗来实现。

 

表1 铰链梁化学成分分析(质量分数)Tab.1 Chemical compositions analysis of the hinge beam (mass fraction) %

  

项目CSiMnSPCrMoAlN实测值0．340．460．660．0250．0250．940．220．1450．016标准值0．30～0．370．30～0．500．50～0．80≤0．030≤0．0300．80～1．200．20～0．30--

1.3 力学性能测试

在铰链梁铰耳处取样进行力学性能测试，结果见表2，可见铰链梁抗拉强度和上屈服强度满足JB/T 6402-2006要求，但塑性和韧性偏低，不满足标准要求。

1.4 金相检验

1.4.1 低倍组织形貌分析

取与断口面平行的试样面，经磨、抛后酸洗，进行试样表面低倍组织形貌观察，可见试样表面上分布着网状裂纹缺陷及疏松缺陷，如图2a)所示，放大后网状裂纹缺陷形貌如图2b)所示，疏松缺陷形貌如图2c)所示，部分网状裂纹缺陷和疏松缺陷相连接，如图2d)所示。

铰链梁铰耳断口形貌如图5a)所示，可见边缘为柱状晶形貌，中间为等轴晶形貌，断口呈铸态沿晶特征，属于典型的贝壳状断口。断口上分布着较多夹杂物，如图5b)所示，能谱分析显示夹杂物主要为MnS以及MnS与Al2O3的复合型夹杂物，能谱分析结果如图5c)，d)所示。从夹杂物尺寸、形貌和能谱分析结果分析，这些夹杂物与图3a)中的夹杂物相对应，而形成网状裂纹缺陷的AlN夹杂物很细薄，在断口上不易观察到。

AlN在一次奥氏体晶界上析出，在二维空间是断续细线，在三维空间是晶界界面上的AlN薄膜层，这种薄膜状氮化铝与其他弥散分布的夹杂物不同，其形态是厚度为0.05 μm，其他尺寸不大于5 μm的沿晶薄膜。它会减弱晶间结合力，使晶界脆化，增加晶间产生裂纹的倾向，降低材料的塑、韧性。

在疏松缺陷周围观察到非常细微且断续分布的网络状线条，如图4a)所示，对应的抛光态形貌如图4b)所示，网络状线条呈灰色断续细线特征，某些部位由于线条太细，在抛光态下不易分辨。观察整个试样，在较高倍率下找到一处比较容易分辨的网络状线条，如图4c)所示，能谱(EDS)显示细线实质是以AlN为主的夹杂物，能谱分析结果如图4d)所示。

1.4.3 网状裂纹缺陷分析

 

表2 铰链梁力学性能测试结果Tab.2 Mechanical property test results of the hinge beam

  

项目屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率/%断面收缩率/%冲击吸收能量/J实测值5867517．0628，25，22标准值≥510≥686≥12≥25≥31

  

图2 铰链梁试样低倍组织形貌Fig.2 Macro structure morphology of the hinge beam sample:a) low multiple morphology; b) morphology of the reticulate cracks defect; c) morphology of the shrinkage-porosity defect;d) connection morphology of the reticulate cracks and shrinkage-porosity defect

  

图3 铰链梁显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology of the hinge beam:a) inclusions; b) field of vision A; c) field of vision B

侵蚀态下对试样显微组织进行观察，主要为回火索氏体+少量铁素体，如图3b)所示。晶粒度级别为11.0级，晶粒平均直径约7.9 μm，晶粒较细，如图3c)所示。

通过层次分析法确定招聘需求人数规模指标、招聘需求覆盖度指标和发布频率指标3个指标的权重，用来计算岗位紧缺度指数，通过计算，三者的权重分别是：招聘需求人数规模指标的权重为0.2583，招聘需求覆盖度指标的权重为0.6370，发布频率指标的权重为0.1047。最终，岗位紧缺度指数=100*（0.2583*招聘需求人数规模指标+0.6370*招聘需求覆盖度指标+0.1047*发布频率指标）。

采用光学金相显微镜对抛光态试样进行夹杂物检测，夹杂物形貌见图3a)，主要为大颗粒状和长条状，聚集分布，具有明显的铸态特征。能谱分析显示夹杂物主要为MnS和MnS与Al2O3的复合型夹杂物。依据GB/T 8493-1987《一般工程用铸造碳钢金相》对夹杂物级别进行评定，结果为2级。

  

图4 网状裂纹缺陷显微形貌及能谱分析结果Fig.4 Micro morphology of the reticulate cracks defect and EDS analysis results:a) morphology of the reticulate cracks defect in etched state; b) morphology of the reticulate cracks defect in polished state;c) EDS analysis position of the reticulate crack defect; d) EDS analysis results of the reticulate crack defect

1.5 断口扫描电镜及能谱分析

1.4.2 显微组织分析

  

图5 铰链梁断口微观形貌及能谱分析结果Fig.5 Microstructure and EDS analysis results of fracture of the hinge beam:a) microstructure of fracture of the hinge beam; b) morphology of fracture inclusions of the hinge beam;c) EDS analysis results of position 1; d) EDS analysis results of position 2

2 分析与讨论

断裂铰链梁化学成分满足标准要求。力学性能中强度满足标准要求，塑性、韧性偏低，不满足标准要求。肉眼可观察到试样表面上分布着网状裂纹缺陷及疏松缺陷，网状裂纹缺陷的网络直径约1 mm。原始断口、拉伸断口、冲击断口形貌相似，呈铸态沿晶断裂特征，晶粒直径大约为1 mm，该沿晶晶粒大小与网状裂纹勾勒出的网络大小相同，因此两者是一致的。

蒋介石在1932年发表的一篇讲话中强调:“总理更进一步用‘知难行易’的学说，要来启发中国的民族精神，并用来实行他的革命主义。总理的意思，就是说:你们既知道三民主义和国民革命是好的，那你就只要照我的‘革命方略’去做，照我的三民主义去行，就一定能够完成革命了。所以总理常讲:‘你们一般党员只要照我所讲的话实在去行就好了，不要再去求另外的知。’他的意思即是:良知是我们大家所固有的，故不必另外再去求知，若说要求学问的知识完全，就要用许多时间更是不易，求‘知’既是不易，即是很难，后知后觉，以及不知不觉的人们，只是跟着先知先觉的人们去行，就可以节省时间，完成革命，因为跟着去‘行’是很容易的。”㉚

分析得知，网状裂纹实质是以AlN为主的夹杂物沿晶分布引起的沿晶脆性开裂导致的，另外沿晶断口上分布的较多铸态的MnS，Al2O3夹杂物以及疏松缺陷也割裂了基体的连续性，增加了晶界脆性，加剧了沿晶开裂的倾向。

铰链梁调质处理后的晶粒平均直径约7.9 μm，而断口的沿晶晶粒大小约1 mm，两者相差100倍以上,显然这两种晶粒是不一致的。铸钢在铸造后形成粗大铸态一次奥氏体晶粒，为了细化晶粒和优化组织，会在铸造后进行热处理，经过热处理后，原始奥氏体晶粒消失，得到的是热处理后新形成的细小晶粒。因此，铰链梁的AlN夹杂物分布在粗大铸态一次奥氏体晶界上，在奥氏体晶粒凝固时形成，是在铸造过程中形成的，后期热处理无法消除。

在金相抛光态和侵蚀态的观察中，均未观察到与网状裂纹缺陷相关的特征,考虑到图2d)中疏松缺陷与网状裂纹缺陷是相连的，所以从疏松缺陷周围查找网状裂纹缺陷的实质。

2.2.2 等离子双极电切设备 常用4 mm 30°内窥镜，配合F24～F27电切镜鞘及电切环可用于多数膀胱肿瘤的切除。灌洗液使用生理盐水。相对于传统单极电切，等离子双极电切被认为可减少手术并发症风险(如由于闭孔神经反射所致的膀胱穿孔)，并提供更好的组织标本，但结果尚有争议[4]。对于过度肥胖患者，有可能需要使用加长电切镜。

有研究表明当钢中残余铝含量为0.108%(质量分数，下同)、氮含量为0.015%时，几乎形成100%(面积分数，下同)的贝壳状断口；当残余铝含量在0.05%、氮含量为0.015%时，贝壳状断口只占断口总面积的50%左右；而当残余铝含量为0.037%以下、氮含量为0.012%以下时，断口则表现为韧性，“贝壳”消失。可见由AlN引起的贝壳状断口，钢中铝、氮含量必须满足某一临界值，超过该值时，钢中的AlN含量越高，形成贝壳状断口越严重；低于该值，AlN的影响就减弱以至消失[3]。该铰链梁的残余铝含量为0.145%，氮含量为0.016%，两种元素含量均超过了形成100%贝壳状断口的临界条件，铰链梁断口也的确形成了100%贝壳状断口。

钢中氮含量与钢的冶炼方法有着必然的联系，同一低合金钢液采用中频炉冶炼，其氮含量高于采

用转炉、平炉冶炼的，铝终脱氧工艺又增加了钢中的残余铝量，这些都给氮化铝的形成创造了有利条件。氮化铝夹杂物在奥氏体中的溶解度随温度的降低而降低，当铸件缓冷时，氮化铝夹杂物更易在奥氏体晶界上析出。该铰链梁采用的是中频炉铸造，铝终脱氧，并且在夏季铸造，冷速较慢，这些都促进了氮化铝在奥氏体晶界上的析出。

3 结论

铰链梁中的残余铝含量和氮含量较高，夏季铸造时冷速过慢，使得一次奥氏体晶界析出氮化铝夹杂物薄膜，造成晶界脆化，晶界上大量的铸态MnS，Al2O3类夹杂物也加剧了晶界的脆化，导致铰链梁铰耳在使用过程中发生沿晶断裂。

灌服驱虫药后48 h和144 h后，对上述20只山羊分别通过直肠采集粪便，标记后放置冷藏箱保存，送西北农林科技大学检测。

建议铰链梁冶炼过程中严格控制残余铝含量和氮含量，并且加快铸件的冷却速度，避免氮化铝薄膜在一次奥氏体晶界上析出。

本程序主要由钢筋混凝土外筒和钢内筒2部分组成，数据模型命令流文件由程序自动生成，对模型的结构分析和数据计算采用STAAD Pro软件完成。

参考文献：

[1] 秦东晨, 陈江义,梁颖等. 金刚石六面顶压机铰链梁的结构优化设计[J]. 金刚石与磨料磨具工程,2005,(5):70-72.

[2] 赵建华. 人造金刚石制造设备铰链梁断裂失效分析[J]. 大型铸锻件,2014(1):23-26.

[3] 张毅. ZG35CrMo贝壳状断口及其对性能的影响[J]. 热加工工艺,1990(3):3-9.