液压叉车是一种高起升装卸和短距离运输两用车，适用于汽车装卸及车间、仓库、码头、车站、货场等地的易燃、易爆和禁火物品的装卸运输。具有升降平衡、转动灵活、操作方便等特点。近日，一辆日常工作中的叉车其活塞杆杆身突发脆性断裂，造成了一定的安全事故，为了消除潜在的安全隐患，对活塞杆进行了全面的失效分析调查，具体内容如下：
1、失效情况调查
对活塞杆的失效情况进行调查得知，该零件材质为45#钢，先经过调质处理，调质硬度要求为240-280HB，然后进行表面中频淬火，表面硬度要求为48-58HRC，淬硬层深度要求为2-4mm，最后进行表面镀铬处理，硬度要求为800-1000HV，镀层厚度为0.03-0.04mm。
2、化学成分分析
从断裂试样上取样，采用MAXx-F08直读光谱仪进行化学成分分析，检测结果如表1所示;
表1 化学成分分析结果（质量分数）（%）
元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu |
实测值 | 0.48 | 0.22 | 0.60 | 0.016 | 0.008 | 0.10 | 0.05 | 0.03 |
规范值 | 0.42~0.50 | 0.17~0.37 | 0.50~0.80 | ≤0.035 | ≤0.035 | ≤0.25 | ≤0.30 | ≤0.25 |
判断 | OK | OK | OK | OK | OK | OK | OK | OK |
可见该活塞杆的化学成分均符合GB699-88《优质碳素结构钢技术要求》45#钢成分的规范要求
3、硬度测试
对试样进行硬度测试，测试结果如表2示。
表2 各部位硬度测试结果
检测项目 | 检测结果 | 图纸要求 | 判断 | |||
第1点 | 第2点 | 第3点 | 平均值 | |||
表面硬度（HRC） | 52.9 | 53.3 | 54.4 | 53.5 | 48~58HRC | 符合 |
芯部硬度（HRBW） | 92.9 | 94.0 | 92.3 | 93.1 | --- | ---- |
镀铬层硬度（HV0.1） | 850 | 868 | 872 | 863 | 800~1000HV | 符合 |
4、断面分析
4.1 对试样断面进行宏观分析，如图1所示，断面呈灰色，一半外表面断面较平整，另一半外表面及中间断面较粗糙，纹理清晰，有放射状条纹，放射状条纹收敛点为外圆一点，即图1箭头所指断裂源处；
图1、裂纹宏观形貌（箭头指向断裂源）
4.2 断裂源处微观形貌如图2所示；如图3~图5所示，断面近表面区域可见河流花样(河流断而不连续)准解理形貌，芯部区域为韧窝和准解理形貌，由此可得，此失效件断面为过载脆性断口，源于次表面。
图2 断面形貌（断裂源处）
图3 断面形貌（近表面区域）
图4 断面形貌（芯部区域）
图5 断面形貌（芯部区域）
5、硬度梯度测试
对试样进行硬度梯度测试，检测结果如表3所示；
表3 硬度梯度测试结果
距表面 距离（mm） | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 |
实测值(HV1) | 658 | 656 | 638 | 640 | 611 | 594 | 586 |
距表面 距离（mm） | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.4 |
实测值(HV1) | 550 | 505 | 499 | 473 | 401 | 227 | 220 |
有效硬化层深 | DS=1.21mm | ||||||
图纸要求 | 2mm~4mm | ||||||
判断 | 不符合 | ||||||
图6 硬度梯度曲线
6、 金相分析
对试样进行金相分析，检测结果如表4所示;
表4 检测结果
测试项目 | 描述 |
非金属夹杂物 | A1.5,B0,C0,D0.5；如图7及图8所示； |
表面组织 | 硬化层组织：10级，细微马氏体和大块未溶铁素体，如图9~图10所示； 表面颜色较深硬化层：硬度约为500HV 0.1,组织为回火马氏体和铁素体 |
芯部组织 | 片状珠光体和铁素体，如图11~图12所示； |
晶粒度级别 | 10.5级； |
镀铬层厚度 | 60.5/60.0/60.3/60.3/60.0 均值60.2μm，约为0.06mm， 图纸要求0.03mm~0.04mm，不合格。如图13所示； |
断面处组织形貌 | 断面处抛光态形貌如图14~图17所示，断面未见氧化和其他缺陷，经侵蚀后如图18~图19所示断面组织与正常处组织无异。 如图20~图28所示，样品表面存在裂纹，裂纹两侧未见氧化脱碳现象，长裂纹深度约为1.25mm； |
图7 非金属夹杂物(抛光态 100X)
图8 非金属夹杂物(抛光态 100X)
图9 表面组织(4%硝酸酒精溶液侵蚀 100X)
图10 表面组织(4%硝酸酒精溶液侵蚀 400X)
图11 芯部组织(4%硝酸酒精溶液侵蚀 500X)
图12 芯部组织(4%硝酸酒精溶液侵蚀 500X）
图13 镀层形貌(4%硝酸酒精溶液侵蚀 500X)
图14 断口形貌（抛光态 50X 箭头指向断裂源）
图15 断口形貌（抛光态 100X 箭头指向断裂源）
图16 断口形貌（抛光态 500X 箭头指向断裂源）
图17 断口形貌（抛光态 500X）
图18 断口组织（4%硝酸酒精溶液侵蚀 50X 箭头指向断裂源）
图19 断口组织（4%硝酸酒精溶液侵蚀 100X 箭头指向断裂源）
图20 断口组织（4%硝酸酒精溶液侵蚀 100X 箭头指向断裂源）
图21 断口组织（4%硝酸酒精溶液侵蚀 500X）
图22 裂纹形貌（抛光态 50X）
图23 裂纹形貌（抛光态 100X）
图24 裂纹形貌（抛光态 500X）
图25 裂纹形貌（抛光态 500X）
图26 裂纹处组织（4%硝酸酒精溶液侵蚀 100X）
图27 裂纹形貌（4%硝酸酒精溶液侵蚀 100X）
图28 裂纹形貌（4%硝酸酒精溶液侵蚀 500X）
7.分析与讨论
1）此失效件基体化学成分符合45钢牌号之要求；
2）此失效件表面硬度值约为53.5HRC，符合图纸要求,芯部硬度约为93.1HRBW；
3）此失效件非金属夹杂物、晶粒度无异常，芯部组织为非调质组织；
4）此失效件硬化层组织级别为10级，属不合格级别；
5）此失效件镀铬层硬度符合要求，厚度为0.06mm超出图纸要求，不合格；
6）此失效件断面呈灰色，断面无氧化脱碳现象，断裂源附近亦发现裂纹，裂纹两侧无氧化脱碳现象；
7）镀铬层下的约0.1mm的感应层硬度较低，为磨削加工时表面产生回火烧伤层；
8）此失效件断面组织与芯部组织无异；
9）此失效件断裂源于次表面，属过载脆性开裂。
8．结论
5.1 此失效件裂纹为过载脆性开裂源于次表面，其主要原因为表面存在感应淬火组织不理想存在较多的铁素体导致强度低及表面磨削加工时表面产生回火烧伤层，造成的表层硬度降低，从而在服役过程中于应力集中处的次表层（磨削烧伤层与感应层交界处）产生过载裂纹。
