楊 博，彭 磊

(中天鋼鐵集團有限公司)

引言

卸扣是索具的一種，國內(nèi)市場上常用的卸扣按生產(chǎn)標準一般分為國標、美標和日標3類[1]；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。表面處理一般分為鍍鋅(熱鍍和電鍍)、涂漆等[2]。

某單位使用2支45鋼鍛造卸扣吊運約10t鋼材時，其中1支卸扣在使用過程中發(fā)生斷裂。該卸扣類型為弓形鍛造卸扣，材料為45鋼，極限工作載荷為6.5t，其斷裂位置位于扣頂處右側(cè)。為查明該卸扣斷裂原因，為產(chǎn)品改進提供參考，通過化學成分分析、斷口形貌分析、金相檢驗和力學性能測試等方法對斷裂的卸扣進行失效分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌檢驗

所取45鋼鍛造卸扣斷裂試樣宏觀形貌見圖1，實際測量尺寸(圖2)W=42.3mm、D=24.6mm、S=87.3mm、d=21.2mm，符合美標弓形卸扣(GB 2130)技術(shù)參數(shù)要求(W≥36.6mm、S≥84.1mm、D≤25.4mm、d≤21.2mm)。

圖1 鍛造卸扣斷裂試樣宏觀形貌 圖2 弓形卸扣示意圖

觀察發(fā)現(xiàn)卸扣斷裂位于扣頂處右側(cè)，斷裂源區(qū)位于扣頂內(nèi)側(cè)表面，扣頂內(nèi)側(cè)表面存在嚴重的塑性變形現(xiàn)象，斷裂源附近并有多處與斷口平行的橫向裂紋，見圖3、圖4；斷口中斷裂源處有兩處黃黑色的斑塊，整個斷面較平齊，有從黃黑色斑塊發(fā)散的放射裂紋棱，見圖5。

1.2 化學成分分析

采用OBM750直讀光譜儀對斷裂卸扣進行化學成分分析，分析結(jié)果見表1。卸扣的各元素含量符合GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對45鋼的技術(shù)要求。

表1 斷裂卸扣的化學成分 (質(zhì)量分數(shù)/%)

1.3 硬度測試

對斷裂卸扣進行布氏硬度測試，分析結(jié)果見表2，卸扣的硬度滿足GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對45鋼技術(shù)要求。

表2 斷裂卸扣的布氏硬度

1.4 金相檢驗

依據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》[4]垂直于卸扣斷裂面截取縱向試樣，采用Axios Imager.M2m型蔡司全自動金相顯微鏡進行金相檢驗，發(fā)現(xiàn)斷裂源處存在折疊裂紋缺陷，裂紋深約0.8mm，裂紋縫隙內(nèi)存在灰色氧化鐵，裂紋開口處一側(cè)還存在鍍鋅層；使用4%硝酸酒精對試樣浸蝕后進行檢驗，發(fā)現(xiàn)基體組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，裂紋周圍存在高溫氧化質(zhì)點且存在嚴重的脫碳現(xiàn)象，見圖6、圖7。在斷裂源附近的卸扣表面也發(fā)現(xiàn)有折疊裂紋，該裂紋已張開，裂紋兩側(cè)有脫碳及高溫氧化質(zhì)點，見圖8、圖9。

圖6 斷裂源處折疊裂紋一側(cè)微觀形貌

圖7 斷裂源處折疊裂紋微觀組織形貌

圖8 斷裂源附近卸扣表面發(fā)現(xiàn)的折疊裂紋微觀組織形貌

圖9 斷裂源附近卸扣表面發(fā)現(xiàn)的折疊裂紋微觀形貌

1.5 裂紋斷面微觀形貌分析

利用乙醇對卸扣斷口進行超聲清洗，采用EVO18型蔡司掃描電子顯微鏡(SEM)觀察卸扣斷口的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)斷面形貌具有解理特征，斷裂源區(qū)黃黑色斑塊與脆性斷面交界處的微觀形貌具有韌窩特征[3]，見圖10～圖12；通過掃描電鏡進一步放大觀察并用X射線牛津能譜儀對斷裂區(qū)黃黑色斑塊進行成分分析，如表3所示，檢驗發(fā)現(xiàn)斷裂源區(qū)黃黑色斑塊大部分區(qū)域表面氧化較嚴重，表面覆蓋著大量的氧化物，說明黃黑色斑塊區(qū)域?qū)訇惻f裂紋，見圖13。

表3 斷裂源區(qū)黃黑色斑塊區(qū)域的能譜檢測結(jié)果 (質(zhì)量分數(shù)/%)

2 分析討論

(1)檢測分析發(fā)現(xiàn)，該斷裂卸扣為弓形鍛造卸扣，卸扣極限工作載荷為6.5t。卸扣實際測量尺寸符合美標弓形卸扣(GB 2130)技術(shù)參數(shù)。根據(jù)斷裂卸扣化學成分分析結(jié)果判斷，斷裂卸扣材質(zhì)為45鋼，各元素含量符合GB/T 699-2105《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標準中45鋼的成分規(guī)范，斷裂卸扣基體組織及硬度值也屬于正常組織及硬度范圍。

(2)卸扣斷裂位于扣頂處右側(cè)，斷裂源區(qū)位于扣頂內(nèi)側(cè)表面，扣頂內(nèi)側(cè)表面存在嚴重的塑性變形，表明扣頂內(nèi)側(cè)表面在使用中受到外物的擠壓。斷裂源附近并有多處與斷口平行的橫向裂紋，斷裂源處有兩處黃黑色斑塊區(qū)域，其表面覆蓋有氧化鐵，說明黃黑色斑塊區(qū)域?qū)訇惻f裂紋。

(3)在斷裂源處發(fā)現(xiàn)存在折疊裂紋缺陷，裂紋深約0.8mm，裂紋縫隙內(nèi)存在灰色氧化鐵，裂紋周圍存在高溫氧化質(zhì)點且有嚴重脫碳現(xiàn)象，裂紋開口處一側(cè)還存在鍍鋅層。另外在斷裂源附近的卸扣表面也發(fā)現(xiàn)有折疊裂紋，該裂紋已張開，裂紋兩側(cè)有脫碳及高溫氧化質(zhì)點。這些特征說明斷裂源是由卸扣表面折疊裂紋所引起的。

綜合分析，推測卸扣發(fā)生斷裂，是由于該卸扣表面存在眾多的鍛造細小折疊裂紋，不滿足標準要求，在使用過程中處于扣頂內(nèi)側(cè)表面的這些折疊裂紋缺陷受到外物的擠壓，使其產(chǎn)生嚴重塑性變形，導致原有的細小折疊裂紋張開擴展及延伸，形成陳舊裂紋。當?shù)踹\鋼材出現(xiàn)突然偏載時，相當于卸扣受到?jīng)_擊載荷作用，便產(chǎn)生以陳舊裂紋為源的脆性斷裂。

3 結(jié)論

45鋼鍛造弓形卸扣表面存在的細小鍛造折疊裂紋缺陷是導致卸扣承載時斷裂的主要原因，在外力作用下，裂紋不斷擴展最終導致卸扣發(fā)生脆性斷裂。

通過分析表明，為避免卸扣使用中發(fā)生嚴重的質(zhì)量問題，在使用卸扣前應(yīng)仔細檢驗，卸扣表面應(yīng)光滑平整，不得有裂紋、銳邊等缺陷；在卸扣使用操作時應(yīng)平穩(wěn), 盡量避免沖擊載荷。