45鋼卸扣斷裂原因分析

李秀杰, 魏麗晶(中國第一重型機械集團 大連加氫反應器制造有限公司, 大連 116113)

45鋼卸扣斷裂原因分析

李秀杰, 魏麗晶
(中國第一重型機械集團 大連加氫反應器制造有限公司, 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。通過化學成分分析、斷口形貌分析、金相檢驗、硬度測試等方法，對卸扣斷裂的原因進行了分析。結果表明：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導致的組織分布不均勻、晶粒粗大、鐵素體沿晶界析出是導致卸扣承載時斷裂的主要原因。

45鋼;卸扣;斷裂;缺陷;熱處理工藝

卸扣是索具的一種，國內市場上常用的卸扣按生產標準一般分為國標、美標和日標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，兩個斷口均位于卸扣拐點處，見圖1。吊裝過程中共用了兩個卸扣，材料為45鋼，單個卸扣額定載荷為35 t，規(guī)格為φ51 mm，銷軸為W型(帶環(huán)眼和臺肩的螺紋銷軸)。筆者通過化學成分分析、斷口形貌分析、金相檢驗等方法對該卸扣進行失效分析，尋找斷裂的原因，為該產品的改進提供參考，以提高卸扣在使用過程中的抗風險能力[1]。

1 卸扣的技術要求

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》對卸扣的化學成分、硬度、晶粒度、力學性能都有相應的規(guī)定，具體如表1～3所示。按照GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定法》[3]中5.3截點法對卸扣材料晶粒度進行檢驗時，晶粒度應達到奧氏體5級或更細。

表1 卸扣的化學成分要求(質量分數(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

2.1 化學成分分析

在斷裂卸扣的斷口附近取樣進行化學成分分析，結果見表4。參照GB/T 699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》[4]，可見該卸扣的化學成分滿足45鋼的要求。

2.2 斷口形貌分析

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

表4 斷裂卸扣的化學成分分析結果(質量分數(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

2.3.1 顯微組織

利用金相顯微鏡對另一斷口表面進行顯微組織觀察，結果如圖3所示。從圖3(a)可以看出，經過侵蝕后斷口表面的顏色不均勻，中間顏色深，兩邊顏色淺，說明整個斷口的組織分布不均勻。對各區(qū)組織放大50倍進行觀察，可見顏色略淺的部位為細晶區(qū)，顏色略深的部位為粗晶區(qū)。細晶區(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。基體組織為珠光體+網狀分布的鐵素體，屬于鍛造組織，網狀鐵素體(及部分魏氏組織)對吊裝用卸扣而言應為不正常組織，表明卸扣鍛件未按技術要求進行適當?shù)臒崽幚怼?/p>

2.3.2 晶粒度

按照GB/T 6394-2002截點法檢驗圖3(b)，(c)中顯微組織的晶粒度，結果分別為4.5級和1.5級。可見細晶區(qū)和粗晶區(qū)的晶粒度均不滿足標準中5級或更細等級的要求。

圖4 斷裂卸扣的硬度測試Fig.4 Hardness testing of the fractured shackle

2.4 硬度測試

對斷裂卸扣進行布氏硬度測試，見圖4，結果為206 HB和208 HB，可見卸扣的硬度滿足技術要求。

2.5 力學性能測試

對斷裂卸扣進行拉伸性能和沖擊性能測試，判定材料的力學性能是否滿足要求。試驗結果見表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、晶粒粗大有直接關系。

表5 斷裂卸扣的力學性能試驗結果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，整個試樣斷口的組織分布不均勻。正常基體組織應為珠光體+鐵素體，而現(xiàn)有網狀鐵素體(及部分魏氏組織)對吊裝用卸扣而言為不正常組織，表明卸扣鍛件未按標準技術要求進行適當?shù)臒崽幚怼Ｍㄟ^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量問題。

4 結論及建議

卸扣斷口處的缺陷、組織分布不均勻、熱處理不當?shù)纫蛩貙е滦犊鄣膶嶋H承載能力和安全性能大大降低，而缺陷的存在是導致卸扣承載時斷裂的主要原因。上述分析表明，此卸扣存在嚴重的質量問題，在使用卸扣前應仔細檢驗。卸扣表面應光滑平整，不得有裂紋、銳邊和過燒等缺陷。

[1] 傅國如,張崢. 失效分析技術[J].理化檢驗-物理分冊,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 金屬平均晶粒度測定法[S].

[4] GB/T 699-2015 優(yōu)質碳素結構鋼[S].

[5] 鐘培道.斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,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，高級工程師，學士，主要從事焊接和理化檢驗方面的工作和研究，li.xj@cfhi.com。

10.11973/lhjy-wl201703018

TG115.2

B

1001-4012(2017)03-0221-04