图 1推移千斤顶缸底宏观形貌
27SiMn合金结构钢的淬透性较好，且具有良好的可切削性和中等水平的冷变形塑性，27SiMn钢中含有较多的硅元素，使其具有很高的屈服强度和良好的耐磨性[1-2]。27SiMn合金结构钢主要用于制造各种机械零件和工程结构。推移千斤顶是一种液压配件，主要用在煤矿开采的推移支架和工作面运输机中[3]，其缸体与支架底座相连，活塞杆通过推杆与工作面运输机溜槽相连。在操作时，操纵阀可让高压液体进入千斤顶的下腔或上腔，从而使得活塞杆伸出或回缩，实现推移支架和工作面运输的目的。在采煤过程中，为了保障安全性，需要预留一定宽度的煤柱，以支撑地质构造，推移千斤顶也可以协助此过程[4]。某厂使用直径为220 mm的27SiMn钢制造推移千斤顶，其加工工序为：下料→粗车加工→热处理（淬火温度为900 ℃，循环水冷却，回火温度为540 ℃）→精加工，加工完毕后发现部分推移千斤顶缸底圆周存在孔洞、掉块、裂纹等缺陷。笔者采用一系列理化检验方法分析了千斤顶缸底开裂的原因，并提出改进措施，以避免类似问题再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
推移千斤顶缸底宏观形貌如图1所示。由图1可知：缺陷位于缸底内孔底面，呈圆环分布。用带锯沿图1（a）虚线处横向将试样锯开，用钢尺测量环形缺陷的直径，约为60 mm。
缸底缺陷宏观形貌及取样位置如图2所示。由图2可知：缸底存在孔洞、掉块、裂纹，裂纹由孔洞及掉块处呈锯齿状向两侧延伸。
沿缸底内孔底面孔洞[见图2（b）虚线处]纵向切开，并沿图2（b）左箭头方向打开断口，观察断口的宏观形貌，结果如图3所示。由图3可知：断口呈黑灰色，无金属光泽，局部存在锈蚀痕迹，且断口上存在与缸底内孔底面一致的车加工痕迹，车加工痕迹上附着有黑灰色熔珠[5]。由此可推测该黑色熔珠附着物在机械加工后产生。
1.2 低倍酸蚀试验
为能够清晰观察到缸底缺陷附近金属流线分布，沿缸底内孔底面直径方向[见图2（a）虚线处]纵向截取试样，对试样进行低倍酸蚀试验，缸底内孔底面纵剖面金属流线分布如图4所示。由图4可知：缸底心部存在一处直径约为60 mm，深度为15 mm的无明显金属流线的致密区，与环形缺陷覆盖区域相吻合，在该区域两侧圆周及底部均存在清晰且连续完整的金属流线[6]，两区域交界处可见裂纹及次裂纹。结合工艺可推测致密区未经历轧制变形，为外来材料填充区。
1.3 化学成分分析
依据GB/T 4336－2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法》，采用直读光谱仪分别对缸底两个不同区域进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：致密区材料不是27SiMn钢，为低碳异金属区；有金属流线区的化学成分符合企业技术要求，结合酸洗流线分布，证实了该区域为27SiMn钢母材区。
Table 1.缸底不同区域的化学成分分析结果
1.4 金相检验
沿缸底内孔底面低倍纵剖截面处[见图4（b）红色方框]取样，对试样进行金相检验，缸底内孔底面致密区及母材基体的显微组织形貌如图5所示。由图5可知：图5（a）左侧区域呈异金属组织特征，其组织存在分层现象，由柱状晶与等轴晶交替分布；图5（a）右侧区域呈母材组织特征，其组织沿轧制方向分布，两者之间存在明显分界线；异金属柱状晶组织为铁素体+珠光体+魏氏组织，等轴晶组织为铁素体+少量珠光体，母材基体组织为铁素体+珠光体，呈典型的多道次焊接接头组织特征[7]。
1.5 扫描电镜(SEM)及能谱分析
截取内孔底面掉块处试样，用超声波清洗试样，用扫描电子显微镜对试样进行观察，结果如图6所示。由图6可知：掉块处与基体金属间未熔合，存在明显分界线，掉块处由不规则块状物填充，局部呈圆形凹坑状，凹坑底部存在不规则碎玻璃纹理特征。
沿图2（b）右侧箭头方向打开裂纹断口并取样，采用扫描电子显微镜对断口进行观察，结果如图7所示。由图7可知：断口上覆盖有氧化层，断口呈河流花样，为脆性解理断口形貌。
用能谱分析仪对掉块处物质进行能谱分析，结果如表2所示。由表2可知：掉块的主要成分为Mn-Si-Na-Al-Ca-O，为氧化物，该成分与焊渣成分相似。
Table 2.掉块处物质能谱分析结果
2. 综合分析
结合生产工艺流程、纵剖面金属流线分布及化学成分分析结果可知，未经历轧制变形的致密区（即低碳异金属区[8]）与宏观观察的缺陷覆盖区域完全吻合，初步判断缸底内孔底面缺陷与后期加工过程中外来低碳异金属有关。断口呈高温氧化色，低碳异金属出现在机械加工后，且部分低碳异金属呈熔融状态分布在基体上。异金属区组织呈典型的多道次焊接接头组织特征，存在柱状晶与等轴晶交替分布的现象。产生该现象的原因为：焊接过程是一个加热和冷却的过程，既含有焊缝区金属熔化凝固结晶所形成的焊缝金属，也含有焊缝金属邻近部位的母材因传热/冷却作用产生的热影响区和未受焊接热作用的母材区。焊接时，焊缝金属区加热温度在液相线以上，焊缝金属的结晶似一个小钢锭，包括晶核形成和晶核长大的过程，由于熔合线附近未熔化的母材金属起着熔池模壁的非自发晶核作用，焊缝金属的晶粒生长方向与散热最快的方向一致，均垂直于熔合线向焊缝中心发展，形成了铸态组织，冷却后形成了柱状铁素体+珠光体+魏氏组织，然而由于经过多道次补焊反复加热、冷却的影响，有些柱状晶获得了细小晶粒，因此焊接金属区有柱状晶也有等轴晶；母材区未受焊接热作用，仍保持原有的组织状态和性能[9]。掉块处物质的化学成分与氧化物型焊渣的化学成分相吻合[10]，进一步证实了缸底环形缺陷为焊接缺陷。
由宏观观察及低倍酸蚀检验结果可知，裂纹启始于孔洞、掉块处（即焊缝金属与母材交界处），呈锯齿状向两侧延伸，且裂纹断口呈脆性解理形貌，证明了该裂纹为应力裂纹。裂纹产生原因为焊缝金属在焊接过程中的热胀冷缩系数与母材不同，从而产生焊接应力[11-12]，再加上后期的热应力及加工应力，使缸底内孔底面孔洞、掉块缺陷处产生应力集中，最终导致材料产生围绕焊缝扩展的应力裂纹。
结合用户工艺路线及图纸，未发现有多道次焊接的工序，又到现场调查，发现机械加工人员在粗车加工时，因加工尺寸失误，从而采用补焊手段挽救经济损失。但是由于焊接时未严格按照焊接工艺要求进行操作，出现补焊未熔合[13]现象，导致推移千斤顶缸底内孔底面出现孔洞、掉块、裂纹缺陷。
3. 结论及建议
因补焊未完全熔合，使推移千斤顶缸底内孔周围出现孔洞、掉块缺陷，在焊接应力、热应力及加工应力的作用下，内孔底面产生裂纹缺陷。
建议提高加工过程操作人员的操作技能，避免因加工失误而导致后期产生补焊缺陷。即使需要补焊，一定要保证确保焊接表面平整、干净、无杂质，以保证焊接质量。控制焊接速率，对于低合金钢材料，厚度大、导热快的母材，必须进行焊前预热。遵守焊接工艺规范，选择合适的焊接电流、运弧角度及焊接速率。