CC BY
136
Научный журнал КубГАУ, №93(09), 2013 года УДК 621.78.019.8
ФРАКТОДИАГНОСТИКА ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ ПОДЪЕМНОГО МЕХАНИЗМА БУЛЬДОЗЕРА
Яковлева Софья Петровна
д.т.н., профессор, зав. отд. материаловедения
Махарова Сусанна Николаевна к.т.н., в.н.с.
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, Якутск, Россия
Исследованы природа и причины эксплуатационной поломки цельнометаллического штока гидроцилиндра бульдозера. Показано, что основной механизм разрушения - развивающаяся во времени усталость металла, инициированная погрешностями термообработки под хромирование
Ключевые слова: БУЛЬДОЗЕР, ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ РАЗРУШЕНИЕ, УСТАЛОСТЬ, ХРОМИРОВАНИЕ, ЗАКАЛКА, НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ
UDC 621.78.019.8
FRACTOGRAPHY OF OPERATION FAILURE OF THE LITING GEAR OF BULLDOZER
Yakovleva Sofia Petrovna
Dr.Sci.Tech., professor, Head of the material science department
Makharova Susanna Nikolaevna Cand.Tech.Sci., leading researcher VP. Larionov Institute of the physical-technical problems of the North, Siberian branch of the RAS, Yakutsk, Russia
The nature and causes of operational failure of the all-metal hydraulic cylinder rod of a bulldozer were studied. It is shown that the main mechanism of failure was evolving in time metal fatigue, initiated by defects of the heat treatment for chromizing
Keywords: BULLDOZER, OPERATIONAL FAILURE, METAL FATIGUE, CHROMIUM COATING, QUENCHING, NONMETAL INCLUSIONS
Введение
Несмотря на успехи в развитии подходов к проектированию, изготовлению, диагностированию различных технических объектов, достаточно часто возникают их отказы, аварии и катастрофические разрушения. Исследование причин, вызвавших повреждение деталей техники и оборудования, позволяет не только выявить очаги, природу, последовательность процессов разрушения, но также является научной основой для повышения проектных характеристик и совершенствования технологий изготовления изделий машиностроения и конструкций. Для установления причин разрушения деталей машин и конструкций применяются методы фрактодиагностики, включающие в себя комплекс исследований с использованием фрактографии, металлографии, рентгеноструктурного анализа, механических испытаний при учете общих закономерностей процессов деформации и разрушения материалов на различных масштабных уровнях [1-3]. Изломы представляют собой непосредственный результат нарушения сплошности материала, выявляют наиболее слабые места
детали, содержат информацию о природе, особенностях и причинах разрушения. Таким образом, исследование причин разрушения деталей с учетом их структуры, свойств и условий эксплуатации материала является актуальной задачей.
В данной работе проведен анализ причин эксплуатационного разрушения левого цельнометаллического штока гидроцилиндра подъема отвала бульдозера после незначительной наработки в течение 550 моточасов. Аварийное разрушение штока произошло в дневную смену при проведении работ (толкание вскрытых в ночную смену торфов); температура окружающей среды на момент поломки составляла -25°С.
Цель данной работы, выявление природы и причин разрушения металла штока методом фрактодиагностики.
Методы исследования и аппаратура
Для определения химического состава основного металла и покрытия штока использованы спектрометры «Spectroport-F» и «Foundry-master UVR». Среднее значение содержания химических элементов получено по результатам трех измерений.
Анализ микроструктуры металла проведен с помощью металлографических микроскопов “Neophot-32” и “Axio Observer Dim”.
Фрактографические исследования для выявления особенностей макроизлома проведены в стереоскопических микроскопах «Альтами ПСО 745-Т» и «Stemi2000C».
Микрофрактографический анализ для выявления особенностей микростроения очаговых зон излома и микромеханизмов разрушения выполнен методом растровой электронной микроскопии на приборе JEOL JSM-6480LV. На этом же приборе исследовано микрораспределение химических элементов в структурных составляющих металла с применением метода микрорентгеноспектрального анализа (луч диаметром ~2 мкм, Ка-излучение).
Материал, технология изготовления и условия эксплуатации
Штоки гидроцилиндров систем управления рабочим оборудованием выемочно-транспортирующих машин относятся к силовым элементам, работающим при знакопеременных нагрузках в жестких условиях воздействия окружающей среды. Из-за непосредственной близости к рабочим органам машины, запылённости и загрязнённости, абразивного действия заносимых из внешней среды частиц, штоки при эксплуатации подвергаются коррозии и другим повреждениям, а нарушение сплошности рабочей поверхности штоков снижает их прочность, прежде всего усталостную. Поэтому для обеспечения высокой работоспособности применяют различные технологии упрочнения штоков, в том числе электролитическое хромирование. Износостойкие хромовые покрытия позволяют многократно увеличить срок службы деталей при работе на трение, а также дают возможность применять для их изготовления более дешевые углеродистые стали взамен легированных.
Вместе с тем хромирование может значительно снижать усталостную прочность деталей (в том числе малоцикловую), в частности из-за таких явлений как новодороживание стали и возникновение остаточных напряжений. Наибольшее снижение предела усталости отмечают у закаленных углеродистых сталей, у конструкционных сталей повышенной прочности. В связи с этим для получения качественных покрытий из хрома применяют целый комплекс технологических процессов и специальных мероприятий, включающих предварительную подготовку деталей, нанесение равномерных износостойких покрытий, последующую обработку полученных покрытий, их контроль.
На исследование поступил короткий фрагмент разрушившегося штока гидроцилиндра подъема отвала бульдозера (далее - штока) длиной 310 мм (рис. 1, а). Излом произошел на расстоянии ~ 256 мм от нижнего торца штока. Диаметр штока 076,15 мм, исходная длина 1802,3 мм.
е
Рисунок 1. Общий вид (а), поверхность разрушения (б) и схема профиля излома (в) короткого фрагмента штока. I, II, III и IV - зоны разрушения; 1 - места зарождения разрушения; 2 -притертые области; 3 - растрескивания от наружной поверхности
По данным спектрального анализа аварийный шток выполнен из углеродистой качественной стали, и после поверхностной закалки упрочнен хромовым покрытием. Толщина хромированного слоя, глубина закаленного слоя и его твердость соответствуют принятым требованиям.
Результаты исследований и их обсуждение
Исследование поверхности излома. Визуальное изучение строения излома выявляет несколько участков, различающихся по виду макрорельефа и шероховатости (рис. 1, б-в). Участок I занимает примерно 10% от общей площади поверхности разрушения и имеет относительно матовую поверхность; более блестящий груборельефный участок IV занимает около 30 %. Поверхности зон II, III также более блестящего кристаллического излома наклонены под углом к поперечному сечению образца (угол наклона участка II составляет ~ 60°, участка III приблизительно 45°), что объясняется резкими изменениями напряженного состояния штока в процессе разрушения.
Очаги разрушения находятся в подповерхностном слое (рис. 1, б, зона I, стрелки 1). Зона I состоит из сглаженных слегка выпуклых площадок и расположена вблизи поверхности штока на глубине ~ 3 мм. На участках
распространения очаговых трещин видны рубцы, возникшие при слиянии соседних трещин; также в зоне I хорошо заметна дугообразная притертость поверхности (2 на рис. 1, б и рис. 2, а), образовавшаяся при трении берегов трещины в промежуток времени от момента ее образования до окончательного разрушения детали. Представляет интерес наличие твердых продуктов смазки в подповерхностной области (2 на рис. 1,6; 3 на рис. 2, а).
а б
Рисунок 2. Очаговая зона разрушения {а) и площадки с усталостными бороздками {б). 1 - места зарождения разрушения; 2 - притертые области;
3 - затекшая и загустевшая смазка; 4 - откол
Исследование очагов разрушения в электронном микроскопе выявило присутствие на их поверхности множественных округлых неметаллических включений (рис. 3), преимущественно относящихся к кислородсодержащим (по данным микрорентгеноспектрального анализа). Очевидно, что они сыграли значительную роль в зарождении начальных микротрещин и реализации микромеханизма малоэнергоемкого зернограничного разрушения (рис. 3, а, в). Ускоренное развитие разрушения также обусловили хрупкие транскристаллитные сколы (рис. 3, б-в).
а б
Рисунок 3. Микромеханизмы разрушения штока: а - межзеренное растрескивание; б - хрупкое разрушение сколом; в- межзеренное растрескивание и скол
Образовавшиеся путем растрескивания и сколов начальные несплошности, постепенно развивались в несколько усталостных трещин, сливающихся в единый фронт магистральной трещины с образованием рубцов. Выход магистральной трещины на поверхность ослабил сечение детали, но не до критического уровня. Об этом свидетельствует притирание берегов трещины с образованием дугообразной блестящей поверхности: чем сильнее притертость, тем меньше скорость роста трещины и, соответственно, перегрузка. Об отсутствии перегрузки также говорит небольшая высота рубцов в очаговой зоне.
Уменьшение рабочего сечения штока из-за появления трещины, являющейся также концентратором напряжений и меняющей напряженное состояние детали, с течением времени привело к появлению на противоположной стороне растрескивания от наружной поверхности штока (3 на рис. 1, б). Растрескивание распространилось по механизму хрупкого шевронного разрушения, обрамляющего периметр штока в виде незамкнутого кольца с толщиной, соответствующей глубине закаленного слоя. Далее произошел окончательный хрупкий долом штока по зонам II, III, IV (рис. 1, б-в). Сложный вид излома обусловлен изменениями напряженного состояния в процессе распространения разрушения.
Таким образом, результаты фрактографического анализа излома штока позволяют отнести его к усталостным с хрупким доломом. Инициирование усталостного разрушения происходит на глубине ~ 3 мм. Такую же толщину
имеет зона хрупкого шевронного разрушения. Это позволяет предполагать, что причина разрушения кроется в неудовлетворительном качестве приповерхностного слоя, в связи с чем было проведено подробное исследование микроструктуры поперечного сечения штока.
Исследование микроструктуры и твердость. Травление микрошлифа образца выявляет неравномерное потемнение полированной поверхности, что указывает на различную травимость металла и на его макроструктурную неоднородность. Особенность строения металла вблизи поверхности - наличие хромового покрытия, далее наблюдаются упрочненная на глубину до 3 мм зона, промежуточная зона и зона основного металла (рис. 3, а).
На рис. 3, а виден переходный участок, на котором прослеживается изменение структуры от поверхности к центру вследствие проведения дополнительной упрочняющей обработки поверхности штока до нанесения хромового покрытия. Обычно осуществляется закалка токами высокой частоты (ТВЧ) с последующим нагревом для снятия остаточных напряжений и уменьшения количества водорода в металле (выделяется при хромировании и способствует охрупчиванию). При закалке стараются минимизировать присутствие в упрочненном слое феррита, снижающего его прочность, и добиться преимущественно мартенситной структуры.
Рисунок 3. Микроструктура штока в поперечном сечении: I- хромовое покрытие; II - упрочненный слой; III-зона перехода; IV - сердцевина {а, х50); микростроение областей со строчечными неоднородностями (б, х500), с неметаллическими включениями (в, 1000)
В зоне закалки и в зоне перехода от закаленного слоя к сердцевине металла штока помимо отпущенного мартенсита выявлено наличие структурных дефектов типа ферритной полосчатости (рис. 3, а, б), снижающих сопротивление зарождению и развитию усталостного разрушения под действием нагрузок при возвратно-поступательном движении детали. Наличие таких структурных дефектов с пониженной прочностью особенно опасно в переходной зоне, что подтверждается зарождением трещин именно в данной области.
Одной из причин появления ферритной полосчатости считают наличие в структуре стали пластичных сульфидных включений. Анализ микроструктуры переходного слоя и сердцевины выявил значительное количество неметаллических включений различной величины и природы (рис.З, в). По данным
микрорентгеноспектральных исследований установлено, что неметаллические включения действительно имеют преимущественно сульфидную, а также кислородную природу (сульфиды марганца, простые окислы, оксисульфиды).
Согласно литературным данным, загрязненность сульфидами, их форма и морфология являются одним из наиболее важных факторов, определяющих качество стали с точки зрения ее эксплуатационной надежности [2, 4]. При термообработке мелкие сульфиды могут выделяться по границам зерен аустенита, что часто служит причиной появления межзеренного излома. Кроме того, как уже отмечалось, сульфиды при термообработке могут способствовать возникновению ферритных участков с пониженной прочностью, что особенно опасно при полосчато-строчечной форме таких фаз.
Таким образом, металлографический анализ выявил в структуре упрочненного слоя и переходной зоны от упрочненного слоя к сердцевине множественные участки ферритной полосчатости и множественные неметаллические включения преимущественно сульфидной и кислородной природы.
Выводы
1.Аварийный шток выполнен из углеродистой качественной стали. Для обеспечения служебных свойств штока применена технология гальванического хромирования с предварительной поверхностной закалкой. Толщина хромированного слоя (~ 20 мкм), глубина упрочненного слоя ( ~ 3 мм) и его твердость (56 НЯС) соответствуют принятым требованиям.
2.В структуре упрочненного слоя и переходной зоны от упрочненного слоя к сердцевине выявлены множественные участки ферритной полосчатости и множественные неметаллические включения преимущественно сульфидной и кислородной природы. Структура ферритной полосчатости имеет малую прочность и относится к дефектам закалки.
3.Очаговые микротрещины появились на глубине, соответствующей глубине упрочнения закалкой. Поверхности очагового излома покрыты частицами
неметаллических включений; основные микромеханизмы трещинообразования -межзеренное разрушение и транскристаллитный скол. Дальнейшее развитие начальных микротрещин имеет усталостную природу. Распространение магистральной усталостной трещины шло в осевом направлении вдоль переходной зоны.
4.Окончательное разрушение произошло с образованием хрупкого шевронного узора, обрамляющего периметр штока в виде незамкнутого кольца с толщиной, соответствующей глубине закаленного слоя. Остальная часть долома также образовалась по механизму хрупкого разрушения. Сложный вид излома обусловлен изменениями напряженного состояния в процессе распространения разрушения.
5.Основная причина поломки штока - недостаточное сопротивление металла трещинообразованию и усталостному разрушению из-за наличия структурных дефектов в зоне закалки и в зоне перехода от закаленного слоя к сердцевине: первоначальные растрескивания инициированы ферритной полосчатостью и неметаллическими включениями; их присутствие обеспечило избирательное развитие усталостной трещины в осевом направлении внутри штока вдоль переходного слоя.
6.Анализ строения и особенностей поверхности эксплуатационного излома штока позволяет исключить в качестве причины его аварийной поломки воздействие однократной нагрузки. Основной механизм разрушения -развивающаяся во времени усталость металла.
В качестве заключения можно отметить, что по результатам проведенных исследований поставщик произвел предприятию, эксплуатирующему бульдозер, безвозмездную замену разрушившейся детали.
Список литературы
1. Фрактография и атлас фрактограмм / Под ред. Дж. Феллоуза. М.: Металлургия, 1982. 482 с.
2. Ботвина Л.Р. Кинетика разрушения конструкционных материалов. М.: Наука, 1989. 230 с.
3. Мак-Ивили А. Дж. Анализ аварийных разрушений. М.: Техносфера, 2010. 416с.
4. Гордеева Т.А., Жегина И.П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. М.: Машиностроение. 1978. 200с.
References
1. Fraktografija i atlas fraktogramm / Pod red. Dzh. Fellouza. М.: Metallurgija, 1982. 482 s.
2. Botvina L.R. Kinetika razrushenija konstrukcionnyh materialov. М.: Nauka, 1989. 230 s.
3. Mak-Ivili A. Dzh. Analiz avarijnyh razrushenij. М.: Tehnosfera, 2010. 416s.
4. Gordeeva T.A., Zhegina I.P. Analiz izlomov pri ocenke nadezhnosti material ov. М.: Mashinostroenie. 1978. 200s.
