分享：马蹄形卸扣断裂原因分析
摘 要:某马蹄形卸扣为风机塔筒吊座组件,在吊装塔筒过程中发生断裂.采用宏观分析、化学成分分析、力学性能测试、金相检验、硬度测试、扫描电镜分析以及有限元模拟计算等方法,对卸扣断裂原因进行了分析.结果表明:卸扣在制造过程中产生月牙形外力损伤缺口,且卸扣热处理效果不佳,导致材料的韧性较差,在吊装过程中,损伤缺口处成为应力集中点,当裂纹扩展至临界值后发生瞬间断裂.
某马蹄形卸扣为风机塔筒的吊座组件,用于风机塔筒的起吊安装,当起吊高度约４０cm 时,其中一个卸扣出现断裂,断裂位置见图１.
断裂卸扣规格为 G２１３０Ｇ２５T,额定载荷为２５t,材料为４５钢,卸扣经热锻成型.该卸扣使用时间约为２个月,已使用２０次.卸扣的具体生产工艺为:原 材 料 进 场 检 验 → 下 料 → 料 块 检 验 → 加 热(１１００~１１５０ ℃)→锻造成型→切飞边→修毛刺→抛丸 → 毛 坯 检 验 → 加 工 → 尺 寸 检 验 → 热 处 理(８４０~８６０ ℃)→ 检 验 → 表 面 处 理 → 外 观 检验→组装.在吊 装 风 机 塔 筒 过 程 中,该 马 蹄 形 卸某马蹄形卸扣为风机塔筒的吊座组件,用于风机塔筒的起吊安装,当起吊高度约４０cm 时,其中一个卸扣出现断裂,断裂位置见图１.
断裂卸扣规格为 G２１３０Ｇ２５T,额定载荷为２５t,材料为４５钢,卸扣经热锻成型.该卸扣使用时间约为２个月,已使用２０次.卸扣的具体生产工艺为:
原 材 料 进 场 检 验 → 下 料 → 料 块 检 验 → 加 热(１１００~１１５０ ℃)→锻造成型→切飞边→修毛刺→抛丸 → 毛 坯 检 验 → 加 工 → 尺 寸 检 验 → 热 处 理(８４０~８６０ ℃)→ 检 验 → 表 面 处 理 → 外 观 检验→组装.在吊 装 风 机 塔 筒 过 程 中,该 马 蹄 形卸 扣发生断裂,导致塔筒从高空摔落,造成塔筒本体严重受损.为 了 查 明 该 卸 扣 断 裂 原 因,笔 者 通 过一系列理化检验和模拟计算对断裂原因进行了详细分析.
１ 理化检验
１．１ 宏观分析
断裂卸扣宏观形貌见图２,卸扣断裂成三段:右侧环眼至断口I段未见明显变形,外表面防锈层基本完好,卸扣右侧与吊座接触圆弧角(R 角)部位有挤压磨损痕迹;断口I至左侧环眼段变形明显,整体向左偏移约４５°;卸扣左侧与吊座接触 R 角部位有挤压磨损痕迹.卸扣形变前后尺寸见表１,可见断口I与II段局部变细,两环眼间内侧长度略有伸长,内侧磨损挤压痕迹明显.
宏观分析结果表明:卸扣在吊装过程中,裂纹起源于断口I处,并快速扩展至断裂,同时,由于卸扣承载力发生变化,局部产生形变,随后断裂于断口II处.断口I宏观形貌见图３,可见断口内侧磨损痕迹较严重,磨损部位约占周 长 的 １/４,局 部 直 径 约４３mm,断口较平整,呈亮灰色.裂纹起源于磨损部位(锻造分型线)左侧,裂源部位有明显的月牙形锈蚀痕迹,与断口呈约４５°倾角,弦长约１６ mm,最宽处约３．５mm.扩展区呈放射状,局部有撕裂痕迹,断口边缘局部已磨损,未见明显的剪切唇痕迹.上述断口分析结果表明,在此次断裂前该月牙形裂纹已经存在,断口I属脆性断口.断口II宏观形貌见图４,可见断口周边防锈层较完好,未见明显磨损及形变痕迹.裂纹起裂于卸扣内侧锻造分型线一侧,裂纹源部位呈现暗灰色椭圆点,长度 约 ４ mm.扩 展 区 较 平 坦,约 占 断 口 的３/５,呈放射状.瞬断区呈 ４５°倾角,结合卸扣宏观变形形貌可见,断裂过程中卸扣受力发生变化,在弯曲应力作用下瞬间断裂,断口II亦属脆性断口.
１．２ 无损探伤分析
采用磁力机对断裂卸扣、同批次未使用卸扣及销轴进行荧光磁粉无损探伤检测,检测结果表明,除断裂位置外,未发现其他裂纹.
１．３ 化学成分分析
从断裂卸扣环眼部取样,采用光谱仪进行化学成分分析,并按照 GB/T６９９－１９９９进行评判,检测结果见表２,可见断裂卸扣的化学成分符合 GB/T６９９－１９９９对４５钢成分的要求.
１．４ 力学性能测试
从同批次未使用卸扣上取样,采用拉力试验机进行力学性能测试,结果见表３.由表３可见,卸扣硬度符合JB８１１２－１９９９中S级卸扣的要求.卸扣的截面积S＝１５５４．５mm２,根据屈服强度推算其变形抗力约为７０７．３kN,大于标
准中要求的５００kN;根据抗拉强度推算其极限载荷约为１０３３．７kN,大于标准中要求的１０００kN.故卸扣的力学性能符合标准要求.但卸扣的常温冲击吸收能量约为１０J,表明材料的韧性较差[１].
１．５ 金相检验
(１)取同批次未使用卸扣心部试样和断裂卸扣心部试样,根据 GB/T１０５６１－２００５中的实际检验A 法和ISO４９６７:１９９８(E)评级图进行评定.未使用卸扣 心 部 非 金 属 夹 杂 物 级 别 为:A０．５,B０,C０,D１．０;断 裂 卸 扣 心 部 试 样 非 金 属 夹 杂 物 级 别 为:A１．０,B０,C０,D１．０.两者晶粒度均为４级,显微组织均为珠光体＋网状铁素体＋少量针状铁素体.
(２)取断裂卸扣断口I裂纹源及扩展区试样,根据 GB/T１３２９８－１９９１进行制样,随后在光学显微镜下观察.可见近外表面裂纹源部位较平整,未见明显变形痕迹,该平整面与外表面呈约４５°夹角,如图５所示.分别对裂纹源部位 A,B,C 处放大观察可见(分别如图６~８所示),A 处(近外表面)存在明显的亮白色防锈层,长度约为０．５mm,基本与外表面防锈层连为一体,表明在表面处理工序时该断面已存在;B处(断口表面)可见明显的暗灰色氧化层,为断续状分布,表明该断面存在时间较长;C 处为裂纹源尖端与扩展区交界部位,从断口上的微裂纹形貌可见,平整部位微裂纹缝隙间填满暗灰色氧化皮,扩展区微裂纹缝隙间未见氧化皮痕迹.如图９所示,在裂纹源下方３mm２ 面积内显微组织存在明显差异,该区域显微组织与扩展区及心部方向不连续,根据组织特征可分为３层:第１层为在裂纹源 表 面 存 在 连 续 且 均 匀 的 铁 素 体 层,深 度
１０~２０μm,应为表层在受热过程中因脱碳形成的;第２层显微组织为块状铁素体＋珠光体,该区域宽度约２００μm;第３层显微组织为珠光体＋网状铁素体＋少量 针、块 状 铁 素 体,晶 粒 较 细 小,晶 粒 度 为５．５级.抛光态及显微组织分析结果表明:卸扣裂纹源部位为非正常断裂面,应为外力损伤所致,且该损伤应在卸扣热处理工序之前就已存在.
