油泵内溢流阀断裂失效分析

　　
某厂生产油泵内用的溢流阀，材料为Cr12MoV，制造工艺如下：下料?球化退火?车铣?钳油?刻字?预抽真空?淬火?冷处理：保温空冷硅油保护回火?保温随油冷却?磨（内）稳定化处理：时效保温空冷?磨（内）车?研。按规定要对溢流阀进行强度检验试验。技术文件要求加压至33MPa，保压3min.当加压到28MPa时，发现主阀体法兰盘部位与外圆相交处出现裂纹，卸下溢流阀主阀体法兰盘部位有一块断裂，为此对断裂原因进行分析。

　　1实验方法与过程对原材料进行成分分析与低倍缺陷检测；对宏观断口进行宏观分析并测定硬度；从断口附近取金相试样进行金相组织分析。采用扫描电镜对断口及组织进行分析并对裂纹源处进行能谱分析。

　　2实验结果与分析2.1原材料成分分析结果结果表明溢流阀原材料化学成分符合标准要求。

　　2.2低倍缺陷检验结果通过宏观观察，溢流阀断裂处没有目视可见的缩孔、夹杂、分层、裂纹、气泡和白点。低倍缺陷检测观察得出，中心疏松准矣50为3级。溢流阀断裂处没有发现异常现象。

　　2.3硬度分析结果硬度测定结果是6162HRC，满足使用要求。

　　2.4宏观现象与宏观断口观察与分析从宏观断口照片可以看到，裂纹是由直线段与圆弧段组成的。圆弧段处在平面与圆柱的交界处，可以认为断裂首先是从平面与圆柱交界处开始，然后向两侧扩展。溢流阀上下各有一个圆柱，下为长圆柱，上为短圆柱。在长圆柱与平面交界处可以观察到一个不太明显的裂纹源，短圆柱上有一条撕裂的直线（该处也是裂纹源，扫描照片说明），整个断口有灰亮色金属光泽，且没有宏观塑性变形，为典型的脆性断裂。

　　2.5金相组织分析从断口附近取金相试样进行深腐蚀，在SEM下观察，结果见。可以看出，溢流阀经上述热处理工艺处理后的组织是马氏体加碳化物。其中一部分碳化物是未溶碳化物。值得注意的是：在金相磨面上可以看到许多微孔，有碳化物脱落的现象，同时可以看到一些晶界处及碳化物与基体交界处存在微裂纹，有些大块的碳化物脱落严重。这种组织导致材料脆化。

　　展条纹明显不同，可见直线处是裂纹源。在裂纹源附近还可以看到一些块状物质。

　　2.7能谱分析分别对裂纹源处及断口的中部区域进行能谱分析，结果见。可以看出在裂纹源处氧、碳、硅的含量较高。

　　3断裂原因分析断裂的溢流阀采用Cr12MoV材料制造，经常规热处理后，受到28MPa的静压是不应该发生断裂的。在如此低应力作用下发生断裂说明该溢流阀本身存在微裂纹。从宏观断口分析可以大致确定裂纹源位置是在短圆柱的直线撕裂处及长圆柱与平面交界的圆弧处。这些区域均是应力集中的部位。SEM断口观察看到撕裂直线处断口中扩展条纹是从直线处向两侧扩展，说明该处是裂纹源。能谱分析表明在这些区域氧、碳、硅的含量比断口中部明显偏高，表明该工件在回火之前由于某些特殊情况，造成应力过大形成微裂纹。在随后的硅油保护回火过程中，油介质渗入到微裂纹中同时发生氧化，因此造成氧、碳、硅的含量高。

　　另外基体组织中观察到较多碳化物脱落的现象。在正常情况下碳化物是从基体中生长出来的，与基体是冶金结合，一般是不会脱落的。只有在碳化物与基体交界处存在很大应力或者存在微裂纹情况下才会发生脱落，在扫描电镜下观察到交界处确实存在一些微裂纹，必然引起组织脆化，可见这些缺陷应该是在热处理过程中形成的。

　　为了判断产生微裂纹的原因又选用了一件在静压试验时产生很小微裂纹但没有断裂的溢流阀进行对比分析，其扫描显微组织见。可以看到，此组织中的微裂纹大幅度减少。又对比了样品组织中碳化物级别与断裂的溢流阀中碳化物级别，发现后者的碳化物级别较高。这正说明，断裂的溢流阀由于其碳化物级别偏高，导致在淬火过程中由于碳化物聚集造成应力过大形成微裂纹。

　　4结论与建议溢流阀碳化物级别偏高，导致在淬火过程中造成应力过大形成微裂纹；溢流阀组织中碳化物与基体交界处存在微裂纹，从而导致碳化物脱落引起组织脆化。

　　溢流阀在硅油保护回火过程中，油介质渗入到微裂纹中同时发生氧化，造成裂纹源处氧、碳、硅的含量高。

　　溢流阀表面存在微裂纹同时组织脆化，造成低应力静压实验时发生断裂。

　　溢流阀改进的建议：严格控制原材料碳化物级别。如果设计上允许，采用合金中碳钢调质后表面处理方法提高表面耐磨性，并对圆柱与平面交界处采用圆弧过渡。