典型液壓支架立柱缸體材料疲勞性能研究

程相榜，李 爭，王 爐，趙小輝

(1.鄭煤機(jī)智鼎液壓有限公司，河南 鄭州 450016； 2.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州 450016；3.吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130025)

隨著煤礦產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對液壓支架等支護(hù)設(shè)備的需求也隨之增加，需要在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上開發(fā)具有更長使用壽命、更經(jīng)濟(jì)的設(shè)備材料和更高安全性的高端液壓支架。液壓支架未來會(huì)朝著強(qiáng)力化、標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化、自動(dòng)化方向不斷發(fā)展[1]。液壓支架也需要具備有不同的類型和性能來適用于不同的地質(zhì)環(huán)境和工況條件[2-3]。作為綜采支護(hù)設(shè)備的液壓支架的安全性、穩(wěn)定性和服役壽命，對綜采的安全性及自動(dòng)化綜采的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性的作用[4-5]。因此，需要開發(fā)具有更長使用壽命、更經(jīng)濟(jì)的設(shè)備材料和更高安全性的高端液壓支架[6-7]。

在礦井下服役過程中，液壓支架需要上下升降及前后移動(dòng)來完成綜采時(shí)的支護(hù)任務(wù)。其動(dòng)力來源就是液壓支架油缸，通過油缸的升降，驅(qū)動(dòng)了液壓支架的移動(dòng)和升降[8]。在升降循環(huán)過程中，油缸承受交變載荷，容易發(fā)生疲勞破壞，一旦油缸發(fā)生疲勞失效將會(huì)對生產(chǎn)安全和企業(yè)效益產(chǎn)生不利影響，從設(shè)計(jì)、制造角度保證油缸的疲勞可靠性對保證液壓支架服役的安全可靠性非常重要[9-10]。本文研究了典型油缸材料在交變載荷下的疲勞性能，對幾種油缸材料進(jìn)行疲勞測試，獲得疲勞S—N曲線，并從微觀角度分析基體組織和疲勞斷口形貌，確定了不同材料的疲勞性能數(shù)據(jù)，為不同疲勞壽命下油缸材料選擇提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為30CrMnSi、27SiMn、30CrMo三種液壓支架油缸常用的高強(qiáng)鋼管，鋼管直徑495 mm、壁厚45 mm，其化學(xué)成分見表1。

表1 30CrMnSi、27SiMn、30CrMo化學(xué)成分Tab.1 Chemical constituents of 30CrMnSi，27SiMn and 30CrMo %

在液壓支架油缸生產(chǎn)中，3種試驗(yàn)材料的熱處理工藝為水冷淬火后在500～650 ℃溫度范圍內(nèi)回火的調(diào)質(zhì)處理，金相組織為調(diào)質(zhì)后的回火索氏體，其中針狀鐵素體占絕大多數(shù)，粒狀的滲碳體分布其中，很大程度上提高了材料的強(qiáng)度和硬度，并且塑性和韌性相對于馬氏體組織也有較大提高。強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命是對工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械使用的3個(gè)基本要求[11-12]，本文依據(jù)國標(biāo)GB/T 228.1—2010，對3種材料進(jìn)行了強(qiáng)度拉伸力學(xué)性能的測試，測試結(jié)果見表2。

表2 30CrMnSi、27SiMn、30CrMo力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of 30CrMnSi，27SiMn and 30CrMo

2 疲勞試樣形式及試驗(yàn)方法

(1)試樣形式。液壓支架油缸3種材料的疲勞試樣采用平板結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。試樣制備采用線切割從熱處理后的鋼管上取下，再進(jìn)行磨削加工。

圖1 原始母材疲勞試樣形式及尺寸 Fig.1 Form and size of fatigue sample of original base metal

(2)疲勞試驗(yàn)方法。疲勞試驗(yàn)根據(jù)ASTM E468[13]標(biāo)準(zhǔn)測試，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)前將試樣打磨光滑，進(jìn)行室溫交變載荷疲勞試驗(yàn)[14]。每種材料采用20根疲勞試樣，在相應(yīng)材料屈服強(qiáng)度5%的差值應(yīng)力水平下逐級加載。根據(jù)GB—25974.1中耐久性能加載曲線(圖2)，加載壓力分別為1.05倍的額定工作壓力(最大載荷)和0.25倍的額定工作壓力(最小載荷)，采用應(yīng)力比(最低應(yīng)力/最高應(yīng)力)R=0.238，加載方式為拉—拉加載，加載頻率100 Hz。通過試驗(yàn)得到相應(yīng)壽命，以應(yīng)力為縱坐標(biāo)、以循環(huán)數(shù)N為橫坐標(biāo)，用最佳擬合法繪制S—N曲線[15]。

圖2 加載周期Fig.2 Loading cycle

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

光滑疲勞試樣經(jīng)過不同水平應(yīng)力的循環(huán)加載作用，斷裂位置均為試樣中心薄弱位置如圖3所示。

圖3 疲勞試斷裂宏觀示意Fig.3 Macroscopic diagram of fatigue test fracture

對3種材料各級應(yīng)力水平加載條件下所得到的最終疲勞循環(huán)周次統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的最大應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)以10為底的對數(shù)值，采用冪函數(shù)模型回歸計(jì)算，擬合出試驗(yàn)材料的S—N曲線如圖4所示。

圖4 三種高強(qiáng)鋼疲勞S—N曲線 Fig.4 Fatigue S-N curves of three kinds of high strength steels

從圖4中可知，在3×104、6×104、9×104、106次循環(huán)下材料的疲勞強(qiáng)度見表3。圖4顯示，材料光滑試樣的疲勞性能存在區(qū)別，相比之下疲勞性能30CrMnSi>30CrMo>27SiMn，結(jié)合材料的力學(xué)性能表2可以看出光滑試樣的疲勞強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度存在正比關(guān)系，且3種材料在1×106次循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度均接近與材料的屈服強(qiáng)度。依據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果，本文認(rèn)為理論上提高材料的屈服強(qiáng)度可以對應(yīng)提高其疲勞性能。

表3 對應(yīng)于不同循環(huán)次數(shù)的不同材料疲勞強(qiáng)度Tab.3 Fatigue strength of different materials corresponding to different cycles MPa

依據(jù)表3和圖4的疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，結(jié)合不同客戶對缸筒使用壽命的不同，在油缸設(shè)計(jì)及材料選擇時(shí)，缸筒名義應(yīng)力不能優(yōu)化減小時(shí)，就要選擇疲勞強(qiáng)度高的材料，如果可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減小名義應(yīng)力，設(shè)計(jì)人員就可以選擇屈服強(qiáng)度低價(jià)格低的材料。無論何種情況設(shè)計(jì)應(yīng)力不得超過要求壽命對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度。在僅有27SiMn、30CrMo、30CrMnSi選擇的情況下，本文建議在3×104、6×104次、9×104次壽命下油缸設(shè)計(jì)應(yīng)力分別不超過684、669、659 MPa，這樣在設(shè)計(jì)時(shí)，可僅進(jìn)行靜載設(shè)計(jì)即可。

3.2 疲勞斷口分析

利用SEM對疲勞試樣斷口進(jìn)行微觀分析，從疲勞斷口看典型的疲勞斷裂方式有3鐘，穿晶斷裂為韌性斷裂方式，伴隨韌性條紋出現(xiàn)；解理斷裂清晰可見的解理小平面和河流花樣；沿晶斷裂可觀察到長條型的沿晶裂紋。

試樣疲勞斷口SEM形貌如圖5所示。

圖5 試樣疲勞斷口SEM形貌Fig.5 SEM appearance of fatigue fracture of sample

由圖5可以看出，3種試樣的斷裂方式為典型的疲勞斷裂，從不同斷口圖中可以發(fā)現(xiàn)裂紋源位置都在疲勞試樣表面的缺陷或夾雜處，由于表面缺陷位置屬于應(yīng)力集中區(qū)域，在循環(huán)加載條件下成為薄弱位置，導(dǎo)致裂紋源形成；裂紋的擴(kuò)展過程可以清楚看到貝殼紋的存在，與裂紋的擴(kuò)展方向垂直并發(fā)散開來，在高倍率的顯微鏡下可以觀察到疲勞的典型特征疲勞輝紋，疲勞輝紋由每次應(yīng)力循環(huán)的過程中產(chǎn)生，一般可以用判斷裂紋擴(kuò)展的快慢。

由圖5(a)可知，30CrMnSi試樣的裂紋源位置在表面的點(diǎn)狀雜質(zhì)處，并且在循環(huán)應(yīng)力的加載下向內(nèi)部延伸，為典型的穿晶斷裂斷口，最后裂紋迅速擴(kuò)展導(dǎo)致試樣斷裂；由圖5(b)可知，27SiMn試樣的裂紋源在左下角的缺陷處，作為表面的應(yīng)力集中位置，裂紋容易在此萌生，在循環(huán)應(yīng)力作用下向內(nèi)部擴(kuò)展，可以觀察到典型的貝殼紋花樣，清晰地觀察到裂紋擴(kuò)展的方向，在更高倍數(shù)觀察可以發(fā)現(xiàn)解理斷裂形成的解理小平面；由圖5(c)可知，30CrMo試樣與圖5(b)的斷裂位置和形式相似，裂紋在左下角表面的應(yīng)力集中位置向內(nèi)擴(kuò)展最終導(dǎo)致斷裂。

4 結(jié)論

(1)液壓支架油缸材料27SiMn、30CrMo、30CrMnSi的S—N曲線顯示，光滑試樣的疲勞性能存在區(qū)別，相比之下疲勞性能30CrMnSi>30CrMo>27SiMn。

(2)從液壓支架油缸材料27SiMn、30CrMo、30CrMnSi疲勞強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系可以看出，光滑試樣的疲勞強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度存在正比關(guān)系，且3種材料在1×106次循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度均接近與材料的屈服強(qiáng)度，提高材料的屈服強(qiáng)度可以提高其疲勞性能。

(3)在僅有27SiMn、30CrMo、30CrMnSi選擇的情況下，本文建議在3×104、6×104、9×104次壽命下油缸設(shè)計(jì)應(yīng)力分別不超過684、669、659 MPa。

(4)從疲勞斷口顯微組織可以得知，裂紋萌生位置為表面應(yīng)力集中區(qū)，材料的表面狀態(tài)及表面缺陷嚴(yán)重影響液壓支架的疲勞性能，本試驗(yàn)僅從材料光滑試驗(yàn)出發(fā)探討了現(xiàn)有3種材料的疲勞性能，對于有表面焊接結(jié)構(gòu)的油缸的疲勞仍需深入研究。