汪偉新

（江西省德興銅礦采礦場，江西 德興 334224）

油缸活塞桿表面修復(fù)后導(dǎo)致的疲勞斷裂

Fatigue fracture after surface repair for oil cylinder piston rod

汪偉新

（江西省德興銅礦采礦場，江西 德興 334224）

活塞桿經(jīng)表面修復(fù)后發(fā)生斷裂的失效形式分析，指出了失效形式為早期疲勞斷裂，并有多源超負荷和強烈缺口敏感性的特點。表面修復(fù)層脆性狀態(tài)缺少足夠的塑性，修復(fù)層容易疲勞損傷，高硬度的修復(fù)層材料增加了疲勞缺口敏感性；修復(fù)層與活塞桿焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生的缺陷會縮短疲勞斷裂紋萌發(fā)階段，這幾點是使修復(fù)后的活塞桿發(fā)生早期疲勞斷裂的主要原因。因此，在進行活塞桿表面修復(fù)的同時，必須設(shè)法消除導(dǎo)致早期疲勞斷裂的因素，才能有效的延長修復(fù)后活塞桿的使用壽命。

活塞桿；表面修復(fù)；外載破損；疲勞斷裂；殘余應(yīng)力

工程機械的油缸活塞桿，由于其工況的原因常常造成表面劃傷或碰傷等不同程度的損傷，修理人員一般采用的修理方法是對活塞桿損傷部位進行表面金屬堆焊、磨削工藝，電刷鍍硬金屬工藝對其表面進行修復(fù)、強化。通過分析我們發(fā)現(xiàn)活塞桿表面修復(fù)后產(chǎn)生早期疲勞斷裂有以下特點：斷裂屬于早期疲勞斷裂；早期疲勞斷裂呈多源性斷裂現(xiàn)象較為普遍；修復(fù)層與活塞桿母材交界處缺口裂紋明顯。

究其原因：一是活塞桿焊接修復(fù)后產(chǎn)生殘余應(yīng)力,在磨削中發(fā)生表面燒傷等情況；二是修復(fù)層脆性狀態(tài)，硬度高塑性低使總應(yīng)力峰值難以得到釋放；三是存在修復(fù)層與活塞桿母材的交界處的缺陷。

1 活塞桿進行焊接修復(fù)會產(chǎn)生殘余應(yīng)力

活塞桿使用的材料是45#鋼或40Cr低合金鋼，對于受拉伸和壓縮的活塞桿件來說，活塞桿的拉伸強度和表面硬度，如果低于技術(shù)條件要求,抗疲勞性能就會降低,這是活塞桿早期疲勞斷裂的主要原因。

由于焊縫的強度通常比母材要高，當外在引起的壓應(yīng)力與殘余應(yīng)力中的壓應(yīng)力疊加之和達到屈服點口，這一部分截面喪失了進一步承受外載的能力，并且改變了有效截面積的分布，降低了受壓桿件的穩(wěn)定性。

2 修復(fù)層脆性狀態(tài)容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)早期破壞

由于活塞桿焊接過程中受熱不均勻，桿件會產(chǎn)生焊接熱應(yīng)力并伴塑性變形，焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)強度、硬度也隨之發(fā)生改變。

雖然這樣可以使修復(fù)層的表面硬度提高，對活塞桿的抗擊打以及耐磨性是有益的。但是有殘余應(yīng)力集中的焊接結(jié)構(gòu)，拉伸殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力疊加有可能使局部區(qū)域的應(yīng)力首先達到斷裂強度，總應(yīng)力峰值達到屈服點后，該區(qū)應(yīng)力不再增加而產(chǎn)生塑性變形，當材料的塑性耗盡時，就會造成破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)早期破壞，出現(xiàn)疲勞斷裂。

3 缺口敏感性對修復(fù)層的影響

疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的主要形式，活塞桿的疲勞斷裂是在修復(fù)層附近（修復(fù)層與母材交界處）即焊縫趾端與根部，焊縫趾端與根部殘余應(yīng)力相對集中，塑性變形能力降低，當應(yīng)力集中系數(shù)較高時，會使焊縫趾端與根部產(chǎn)生局部材質(zhì)塑性應(yīng)變。這樣活塞桿表面修復(fù)后就有兩個問題。

一是母材與焊縫趾端交界處。當焊縫殘余應(yīng)力的疊加使總應(yīng)力峰值增大，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫的薄弱環(huán)節(jié)或母材與焊縫趾端交界處。

二是母材與焊縫根部位置，當焊縫殘余應(yīng)力的疊加使總應(yīng)力峰值增大，疲勞斷裂發(fā)生在焊縫的薄弱環(huán)節(jié)或母材與焊縫根部。修復(fù)層脆性材料硬度高塑性低的特點使應(yīng)力峰值無法得到釋放，發(fā)源于焊縫趾端與根部的疲勞斷口，最后斷裂區(qū)在斷口的中部，疲勞線形狀由于缺口敏感性促使邊緣擴展加速而改變，凸起部分則因擴展過程的摩擦和擠壓作用與擴展方向成相反方向。

4 修復(fù)層的界面缺陷

修復(fù)層的普遍缺陷主要是由于焊接時未焊透，若不能保證焊透就會有氣孔、裂紋等缺陷。

一是疲勞強度無法達到或接近母材強度。

二是會產(chǎn)生孔隙，孔隙尺度一般在0.001~0.01 mm之間，屬于微觀范圍。

三是粗加工后進行調(diào)質(zhì)處理再精加工，對其表面進行高頻淬火，使其表面硬度達到HRC45—55范圍內(nèi)，堆焊造成的熱裂紋和伴隨產(chǎn)生的材料塑性變形能力下降。

四是電鍍時在陰極上析出的氫滲入鍍件而引起的缺陷。鋼材電鍍時都會產(chǎn)生氫脆風(fēng)險，電鍍表面上吸附的氫以游離形式向活塞桿材料內(nèi)部滲入并積聚，導(dǎo)致活塞桿材料的脆性。內(nèi)部積聚的氫具可逆性也會反向析出，使鍍層脫層、裂紋，導(dǎo)致疲勞裂紋在界面上形成，這種裂紋就成了疲勞源。

5 結(jié)束語

從上述的分析中得知，造成修復(fù)后活塞桿早期疲勞斷裂的實質(zhì)原因：一是焊縫及其熱影響區(qū)集中殘余應(yīng)力所致，當焊接殘余應(yīng)力與承載的工作應(yīng)力疊加，其數(shù)值超過材料的屈服極限時，工件就會在焊縫附近產(chǎn)生焊接變形，斷裂等現(xiàn)象；二是修復(fù)層界面缺陷。為了有效的延長活塞桿修復(fù)后的使用壽命，在滿足耐磨性和高強度要求的同時，必須設(shè)法消除導(dǎo)致早期疲勞斷裂的因素。

因此，除了在修復(fù)工藝上盡可能減少缺陷外，最有效的方法是在堆焊過程中采用金屬冷熔焊技術(shù)和保溫處理的方法消除殘余拉應(yīng)力，使表層得到殘余壓應(yīng)力。

[1] 袁熙，李舜酩. 疲勞壽命預(yù)測方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 航空制造技術(shù)，2005（12）.

[2] 張俊俊，張輝. 裝載機工作裝置建模和運動學(xué)仿真[J]. 機床與液壓，2010（07）.

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TH243

1009-797X(2015)24-0167-02

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.068

汪偉新（1969-），男，大專學(xué)歷，機械助理工程師，主要從事工程機械設(shè)備技術(shù)管理。

2015-12-26