李秀杰, 魏麗晶(中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán) 大連加氫反應(yīng)器制造有限公司, 大連 116113)

45鋼卸扣斷裂原因分析

李秀杰, 魏麗晶
(中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán) 大連加氫反應(yīng)器制造有限公司, 大連 116113)

在吊裝43.4 t容器過渡段的過程中，某吊裝工具的卸扣發(fā)生了斷裂。通過化學(xué)成分分析、斷口形貌分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試等方法，對(duì)卸扣斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：卸扣斷裂起源于表面的缺陷處，缺陷的存在及熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致的組織分布不均勻、晶粒粗大、鐵素體沿晶界析出是導(dǎo)致卸扣承載時(shí)斷裂的主要原因。

45鋼;卸扣;斷裂;缺陷;熱處理工藝

卸扣是索具的一種，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常用的卸扣按生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)一般分為國(guó)標(biāo)、美標(biāo)和日標(biāo)3類；按形式可分為弓形(歐米茄形)帶母卸扣和D形(U形或直形)帶母卸扣。卸扣材料常見的有碳鋼、合金鋼、不銹鋼、高合金鋼等。

某弓形卸扣在吊裝43.4 t容器過渡段的過程中發(fā)生了斷裂，兩個(gè)斷口均位于卸扣拐點(diǎn)處，見圖1。吊裝過程中共用了兩個(gè)卸扣，材料為45鋼，單個(gè)卸扣額定載荷為35 t，規(guī)格為φ51 mm，銷軸為W型(帶環(huán)眼和臺(tái)肩的螺紋銷軸)。筆者通過化學(xué)成分分析、斷口形貌分析、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)該卸扣進(jìn)行失效分析，尋找斷裂的原因，為該產(chǎn)品的改進(jìn)提供參考，以提高卸扣在使用過程中的抗風(fēng)險(xiǎn)能力[1]。

1 卸扣的技術(shù)要求

GB/T 25854-2010《一般起重用D形和弓形鍛造卸扣》[2]和ISO 2415:2004《起重用鍛造卸扣 D形弓形卸扣》對(duì)卸扣的化學(xué)成分、硬度、晶粒度、力學(xué)性能都有相應(yīng)的規(guī)定，具體如表1～3所示。按照GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定法》[3]中5.3截點(diǎn)法對(duì)卸扣材料晶粒度進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，晶粒度應(yīng)達(dá)到奧氏體5級(jí)或更細(xì)。

表1 卸扣的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition requirement of the shackle (mass fraction) %

表2 卸扣的硬度要求Tab.2 Hardness requirement of the shackle

表3 卸扣的力學(xué)性能要求Tab.3 Mechanical property requirement of the shackle

圖1 斷裂卸扣的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured shackle:(a) the fractured shackle; (b) the lower part of the fractured shackle; (c) left fracture surface of the lower part;(d) right fracture surface of the lower part; (e) left fracture surface of the upper part; (f) right fracture surface of the upper part

2 理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

在斷裂卸扣的斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表4。參照GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》[4]，可見該卸扣的化學(xué)成分滿足45鋼的要求。

2.2 斷口形貌分析

利用掃描電鏡(SEM)對(duì)圖1(c)卸扣斷口的微觀形貌進(jìn)行觀察[5]，結(jié)果見圖2。從圖2(a)中可以看出斷口起裂源處有缺陷，對(duì)缺陷處進(jìn)行形貌觀察，結(jié)果見圖2(b)～(e)。從圖2(b)可以看出卸扣經(jīng)歷了3次斷裂過程：首先Ⅰ區(qū)缺陷為最初形成的，存在時(shí)間最長(zhǎng)，從圖2(c)可以看出該區(qū)氧化較嚴(yán)重，表面覆蓋著大量的氧化物；Ⅱ區(qū)為二次斷裂，由Ⅰ區(qū)斷裂擴(kuò)展到Ⅱ區(qū)，經(jīng)歷時(shí)間比Ⅰ區(qū)要短，從圖2(d)中可見氧化物相對(duì)少些；Ⅲ區(qū)為最后斷裂部位，從未被氧化的晶粒內(nèi)部發(fā)生了解理脆性斷裂，見圖2(e)。

表4 斷裂卸扣的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.4 Analysis results of chemical compositions of the fractured shackle (mass fraction) %

圖3 斷裂卸扣的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the fractured shackle: (a) fracture surface after corrosion; (b) microstructure of the light region; (c) microstructure of the dark region

2.3 金相檢驗(yàn)

2.3.1 顯微組織

利用金相顯微鏡對(duì)另一斷口表面進(jìn)行顯微組織觀察，結(jié)果如圖3所示。從圖3(a)可以看出，經(jīng)過侵蝕后斷口表面的顏色不均勻，中間顏色深，兩邊顏色淺，說明整個(gè)斷口的組織分布不均勻。對(duì)各區(qū)組織放大50倍進(jìn)行觀察，可見顏色略淺的部位為細(xì)晶區(qū)，顏色略深的部位為粗晶區(qū)。細(xì)晶區(qū)的顯微組織為珠光體+沿晶界析出的先共析鐵素體，如圖3(b)所示；粗晶區(qū)的顯微組織亦為珠光體+沿晶界析出的先共析鐵素體，且具有輕微的魏氏組織形貌，如圖3(c)所示?；w組織為珠光體+網(wǎng)狀分布的鐵素體，屬于鍛造組織，網(wǎng)狀鐵素體(及部分魏氏組織)對(duì)吊裝用卸扣而言應(yīng)為不正常組織，表明卸扣鍛件未按技術(shù)要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚怼?/p>

2.3.2 晶粒度

按照GB/T 6394-2002截點(diǎn)法檢驗(yàn)圖3(b)，(c)中顯微組織的晶粒度，結(jié)果分別為4.5級(jí)和1.5級(jí)?？梢娂?xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)的晶粒度均不滿足標(biāo)準(zhǔn)中5級(jí)或更細(xì)等級(jí)的要求。

圖4 斷裂卸扣的硬度測(cè)試Fig.4 Hardness testing of the fractured shackle

2.4 硬度測(cè)試

對(duì)斷裂卸扣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，見圖4，結(jié)果為206 HB和208 HB，可見卸扣的硬度滿足技術(shù)要求。

2.5 力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)斷裂卸扣進(jìn)行拉伸性能和沖擊性能測(cè)試，判定材料的力學(xué)性能是否滿足要求。試驗(yàn)結(jié)果見表5，可以看出，卸扣的拉伸性能滿足45鋼的要求，但沖擊吸收能量只有10 J左右，不滿足要求。這與卸扣的顯微組織不均勻、晶粒粗大有直接關(guān)系。

表5 斷裂卸扣的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Testing results of mechanical properties of the fractured shackle

3 分析與討論

通過以上分析可以看出，45鋼卸扣的化學(xué)成分、室溫拉伸性能和硬度都滿足要求，但沖擊性能低于要求，整個(gè)試樣斷口的組織分布不均勻。正常基體組織應(yīng)為珠光體+鐵素體，而現(xiàn)有網(wǎng)狀鐵素體(及部分魏氏組織)對(duì)吊裝用卸扣而言為不正常組織，表明卸扣鍛件未按標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?。通過掃描電鏡還觀察到卸扣斷口起裂處有缺陷，說明卸扣材料存在質(zhì)量問題。

4 結(jié)論及建議

卸扣斷口處的缺陷、組織分布不均勻、熱處理不當(dāng)?shù)纫蛩貙?dǎo)致卸扣的實(shí)際承載能力和安全性能大大降低，而缺陷的存在是導(dǎo)致卸扣承載時(shí)斷裂的主要原因。上述分析表明，此卸扣存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題，在使用卸扣前應(yīng)仔細(xì)檢驗(yàn)。卸扣表面應(yīng)光滑平整，不得有裂紋、銳邊和過燒等缺陷。

[1] 傅國(guó)如,張崢. 失效分析技術(shù)[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2005,41(5):318-323.

[2] GB/T 25854-2010 一般起重用D形和弓形鍛造卸扣[S].

[3] GB/T 6394-2002 金屬平均晶粒度測(cè)定法[S].

[4] GB/T 699-2015 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼[S].

[5] 鐘培道.斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2005,41(10):375-378.

Analysis on Fracture Reasons of the 45 Steel Shackle

LI Xiu-jie, WEI Li-jing
(CFHI Dalian Hydrogenation Reactor Co., Ltd., Dalian 116113, China)

In the process of hoisting 43.4 tons transition section of a container, the shackle of a lifting tool fractured. Through the chemical composition analysis, fracture morphology analysis, metallographic examination, hardness testing and so on, the fracture reasons of the shackle were analyzed. The results show that: the fracture of the shackle originated from the defects on the surface; in addition, the improper heat treatment process led to the inhomogeneous structure distribution, coarse grains, and ferrite precipitation along the boundary; these were the main reasons leading to the shackle fracture during the loading.

45 steel; shackle; fracture; defect; heat treatment process

2016-01-29

李秀杰(1966-)，女，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事焊接和理化檢驗(yàn)方面的工作和研究，li.xj@cfhi.com。

10.11973/lhjy-wl201703018

TG115.2

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1001-4012(2017)03-0221-04