起重機用傳動輪斷裂失效原因分析

■ 劉鈞

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1.概述

我公司使用球墨鑄鐵來制造起重機行走輪，之前某用戶反饋一使用6年的傳動輪發生斷裂，其整體宏觀形貌如圖1所示。該傳動輪直徑為39cm，輪子行走面寬度為13.5cm，傳動輪由一個軸承及一個輪子組成，輪子上面有三條加強筋，我們將三條加強筋分別編號為1#、2#、3#。

圖1 傳動輪宏觀形貌

2.試驗檢測

（1）宏觀斷口分析 對斷裂件進行宏觀觀察，傳動輪斷口長度約占整個傳動輪周長的1/2，裂紋從1#加強筋底部擴展并穿透至行走面邊緣；圖2為傳動輪斷口宏觀形貌，斷口整體呈灰色；1#加強筋斷口兩R角間的斷裂區存在明顯的開裂臺階，部分裂源斷口有機械擦傷痕跡；裂紋從開裂臺階處向兩側（A和B）作快速擴展，斷口上留有放射狀條紋；因此可判斷該裂紋斷口屬一次性大應力脆斷斷口。3#加強筋部位的裂紋類似于1#加強筋處的裂紋。

圖2 斷口宏觀形貌

（2）檢測取樣 力學性能及低倍酸蝕試樣取樣如圖3所示。拉伸及沖擊試樣在傳動輪的軸承處取樣，低倍酸蝕及剖面硬度通過3#加強筋上截取試樣，行走面硬度取樣在表面無缺陷部位，金相試樣取樣位置如圖4所示。

圖3 力學性能、硬度、低倍取樣示意

圖4 金相取樣示意

（3）化學成分分析 對斷裂部件依照GB/T20066—2006/ISO14284:1996《鋼和鐵 化學成分測定用試樣的取樣和制樣方法》用低速(100～150r/min)新磨的直徑12～14mm的碳化鎢鉆頭進行鉆取。按照GB/T223 《鋼鐵及合金化學分析方法》測定其C、Si、Mn、P、S五大元素。實測化學成分如表1所示。

球墨鑄鐵化學成分的選擇以滿足力學性能和金相組織為原則，表1化學成分僅作分析參考，以確認P、S含量是否過高。

（4）力學性能測試 在傳動輪的軸承處根據標準BS EN ISO 6892-1：2009取三組試樣，進行抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率試驗，沖擊試樣按照標準BS EN ISO 148-1：2010， 試驗結果如表2所示。

從上述試驗結果可以看出，實測試樣的屈服強度值略低于EN 1563規定要求，抗拉強度、斷后伸長率及沖擊吸收能量符合標準規定值。

（5）硬度測試 將構件的行走面和剖面采用便攜式硬度計進行硬度測試，其結果為：①行走面的一個點距離端部5mm，每個點間隔為10mm，測試順序從左向右共22點，如圖5、表3所示。②剖面試樣的第一個點距離表面5mm，每個點間隔20mm，測試順序從左向右共24點，如圖6、表4所示。

圖5 行走面硬度檢測示意

圖6 剖面硬度檢測示意

從硬度檢測結果可以看出：剖面硬度較行走面硬度低；從剖面硬度值分析得出，靠近表面的1、7、13、24點的硬度均低于內部硬度，這與表面脫碳有關。

（6）低倍組織 截取低倍試樣，經磨光并腐蝕后觀察，其結果為：①除了上下兩邊（上為軸承通孔，下為行走面），在試樣其他邊緣觀察到一層白亮層，深度為0.2~0.4mm的鐵素體層。②試樣中心即加強筋處觀察到有縮松，如圖7所示。

（7）顯微分析 1#加強筋裂紋源微觀金相：截取1#加強筋裂源區剖面試樣，按GB/T13298—1991標準進行制樣，進行微觀金相分析，樣品實際形貌如圖8所示。

表1 化學成分（質量分數） （%）

表2 力學性能檢驗結果

表3 行走面硬度檢測結果

表4 剖面硬度檢測結果

圖7 加強筋處縮松

隨后在光學顯微鏡下觀察，結果為：1#加強筋裂紋源處存在少量疏松及微裂紋和少量片狀石墨+蠕蟲狀石墨+少量團狀石墨，如圖9所示。心部石墨形態為團球狀石墨，按GB/T 9441—2009（ISO 945-1：2008）標準，試樣中的石墨球化率評級為2級（90%），石墨大小評級為5~6級，如圖10所示。裂紋源處組織為鐵素體+珠光體，有脫碳現象，如圖11所示。基體組織為珠光體+少量鐵素體，珠光體數量約為80%~90%，如圖12所示。

圖8 1#加強筋剖面試樣

圖9 1#加強筋裂紋源處拋光態（200×）

圖10 1#加強筋心部拋光態（100×）

圖11 1#加強筋裂紋源處組織（200×）

圖12 1#加強筋心部組織（100×）

3#加強筋裂紋處微觀金相：取3#加強筋裂紋處剖面試樣，分別經鑲嵌、磨拋、和化學試劑浸蝕后在顯微鏡下觀察，特征為裂紋垂直于表面，裂紋長度約40mm，裂紋深度約15mm，裂紋擴展并與材料內部較大面積的縮松區相連，如圖13~圖17所示。

表面處（裂源）的石墨形態為片狀石墨+蠕蟲狀石墨+少量團狀石墨，如圖18所示。心部石墨形態與1#加強筋處的相同。

表面（裂紋源）處顯微組織為鐵素體+少量珠光體，如圖19、圖20所示；裂紋擴展部位組織為珠光體+少量鐵素體，如圖21、圖22所示；心部組織也為珠光體+少量鐵素體。

（8）斷口微觀分析 將斷口清洗后置于掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察，圖23為斷口裂源低倍形貌；圖24為斷口裂源放大后的形貌；圖25為斷口裂源部位韌窩微觀形貌；圖26為斷口裂源部位韌窩+少量解理形貌；圖27為開裂臺階處機械損傷低倍形貌；圖28為斷口擴展區解理微觀形貌。由微觀形貌可得出：傳動輪的開裂是受大應力作用下撕裂的結果。

3.試驗結果與討論

圖13 3#加強筋處剖面

圖14 3#加強筋裂紋源區拋光態（50×）

圖 15 3#加強筋裂紋擴展區拋光態（50×）

圖16 3#加強筋裂紋擴展區拋光態（50×）

圖17 3#加強筋裂紋橫向擴展拋光態（50×）

圖18 3#加強筋表面拋光態（100×）

圖19 3#加強筋裂紋源組織（50×）

圖20 3#加強筋裂紋源組織（200×）

圖21 3#加強筋裂紋擴展組織（50×）

圖22 3#加強筋裂紋擴展組織（50×）

宏觀檢驗表明：斷口裂源位于行走輪內側與1#加強筋的R處；裂源部位有明顯可見的開裂臺階；部分裂源斷口有機械擦傷痕跡；從開裂臺階處裂紋向二側作快速擴展，斷口上留有放射狀條紋。因此，可判斷該裂紋斷口屬一次性大應力脆斷斷口。3#加強筋部位的裂紋源位于加強筋的R處，其性質與1#加強筋處的裂紋斷口相似。從掃描電鏡斷口微觀形貌分析可知：裂源部位為韌窩形貌，裂紋擴展區為解理形貌，因此傳動輪的開裂是大應力作用產生的一次性斷裂。

圖23 斷口裂源低倍形貌

圖24 斷口裂源放大后的形貌

圖25 斷口裂源部位韌窩微觀形貌

圖26 斷口裂源部位韌窩+少量解理形貌

圖27 開裂臺階處機械損傷低倍形貌

圖28 斷口擴展區解理微觀形貌

力學性能分析表明：實測試樣的屈服強度值略低于EN 1563規定要求，抗拉強度、斷后伸長率及沖擊吸收能量符合標準規定值。硬度分析表明：行走面硬度較高，剖面硬度較低，近表面的硬度均低于內部硬度，這與表面脫碳引起的鐵素體量相對增加有關。

低倍組織檢驗表明：試樣表面存在0.2~0.4mm的白亮層，為鐵素體層。試樣中心加強筋處觀察到有縮松缺陷。

金相組織檢驗表明：1#加強筋裂紋源處存在疏松和微裂紋，石墨形態為片狀石墨+蠕蟲狀石墨+少量團狀石墨。心部石墨形態為團球狀石墨，按GB/T9441-2009(ISO945—1:2008)標準，試樣中的石墨球化率評級為2級（90%），石墨大小評級為5～6級。裂紋源處組織為鐵素體+少量珠光體，有脫碳現象。基體組織為珠光體+少量鐵素體，珠光體數量約為80%~90%，該組織屬正常組織。3#加強筋裂紋垂直于表面，裂紋長度約40mm，裂紋深度約15mm；裂紋擴展后期與材料內部的縮松區相連。其石墨形態、球化率、組織及其珠光體含量均與1#加強筋試樣相同。

通過這次理化檢測和分析結果，傳動輪開裂的主要原因是受一次性大應力作用（過載）所造成的R (1#加強筋的)部位斷裂，希望原材料和鑄件廠家重視鑄件質量，減少鑄造缺陷，同時也要求起重機使用單位定期進行檢查，嚴禁過載行為，對承載部件到期進行更換，防止該類事件再次發生。