熱過載引起的損壞事故

張永友

摘 要：本文討論了機械零件在受熱作用時，熱過載所帶來的隱患和后果.熱過載有兩種形式，一是過熱，二是溫度變化引起相變，要么會造成晶粒粗大，強度降低，要么會造成局部淬火，產生組織應力，形成初期裂紋，從而縮短產品壽命，造成提前損壞.

關鍵詞：熱過載;過熱;組織應力

1.引言

產品制造過程中，許多零件都要經歷加熱的階段，比如熱處理的加熱，或者鍛造前的加熱，或者焊接，或者電筆刻字，等等.而加熱過程的控制是否準確，恰當，就顯得很重要.否則，就可能因為熱過載而引起損壞事故.

熱過載會有兩種表現形式，一是過熱，二是溫度變化引起相變.下面分別加以討論.

2.過熱引起的損壞事故

某直徑為4毫米的60鋼繞制成彈簧，經過光亮退火，在使用一到兩周后，端部變脆，發生了斷裂.查找原因：材料的化學成分檢查是符合標準的.檢查斷裂面的組織，為異常粗的貝殼狀晶體.并且在其晶間還看到了初期熔化的痕跡.顯示該彈簧在進行光亮退火時，加熱及其保溫發生了過熱.個別地方超過了規定的加熱溫度，造成了晶粒粗大，甚至有的地方溫度更高，產生了過燒，才有了晶間的初期熔化的現象.過熱和過燒降低了彈簧的性能和壽命.

某工具鋼制造的離心制造用模具的內壁上發生了網狀裂紋.裂紋的深度在1毫米以下.裂紋的邊緣發生了氧化，沒有脫碳.X射線透視照片上沒有看到這種裂紋.針對這個有裂紋的模具，將其內壁進行鏜削加工，去除兩毫米，淺處的裂紋也被去掉了，在成功生產了900個以后，在縱向又發生了裂紋.縱向裂紋的產生，可做如下的推理：模具在快速加熱時，表面層因為薄，所以被加熱到相當高的溫度，但是此時中心區的溫度相對而言還比較低，不會與表層一起熱膨脹，而是阻止表層的延伸所以會承受壓應力.如果此壓應力超過屈服強度，表層就會被鐓厚.隨后冷卻時，表面層會承受拉應力，這種多方向的壓應力和拉應力的反復作用，超過了材料的疲勞強度，所以模具發生了斷裂.

3.溫度變化引起熱應力

某焙燒蘇打的回轉窯殼體，在工作過程中，其內側和外側都發生了裂紋.該殼體是從外側采用油料進行加熱的.外側的裂紋與殼體的中心軸成45度角，貫通斷裂處.在殼體的內側，去除蘇打的殘余物之后，也發現了裂紋，其中，一部分裂紋與中心軸成45度.由此可見，在裂紋產生的時候，殼體同時也受到了扭轉應力的作用.另一部分裂紋的走向與殼體的中心軸平行，而且，外側的裂紋在擴展的過程中，相對于殼體的中心軸，大致成90度角，所以，對于外側裂紋的發生，首先應該考慮彎曲應力的存在.彎曲應力足夠大，造成了裂紋的擴展直到裂紋貫通.檢查殼體的材料，是鍋爐鋼板，中心部位有偏析，是沸騰鋼.殼體外側表面上含有大量的硫，說明用來加熱回轉窯的油料中含硫量高.被殼體吸收了一部分的硫，大大增加了殼體中硫的含量.裂紋面上也附著有鐵鱗，外側形成的裂紋沿垂直于纖維組織的方向而擴展，即與殼體的中心軸大體垂直的方向擴展.鐵鱗存在的地方，裂紋被阻止了，裂紋改為直線擴展，由此可見，裂紋的擴展，主要是晶內擴展，不是沿晶界擴展的.檢驗該鍋爐鋼的花學成分，為低碳鋼，含碳量是百分之零點一，又經過了退火處理，本身強度就不高，又受到了彎曲應力，扭轉應力的多重作用，根據殼體外側表面的鑒定，認為該損壞事故的發生，是因為殼體在加熱，冷卻的多次作用下，溫度反復變化，造成熱應力反復作用于殼體，形成初期裂紋，裂紋擴展，直至損壞.

某含碳量為百分之零點八四的鋼制造的鍍鎘板簧在使用過程中發生了斷裂.斷裂的起點是幾條小裂紋，這些小裂紋和板簧表面的局部熔穴聯通，檢查金相組織，發現熔穴下面的材料被加熱到熔點附近，于是發生了向馬氏體轉變的相變，這一部分組織的硬度為HV753，稍遠處未發生相變的依然是調質組織，硬度為HV455，根據這一結果，可以判斷斷裂原因是由于局部淬火造成的應力裂紋.局部熔穴的形成是在通電鍍鎘時，板簧接觸不良形成的電弧引起的.電弧的溫度很高，在板簧表面形成了熔穴.歸根到底，淬火裂紋和板簧斷裂的原因是鍍鎘時的電弧.

某無軌電車連接桿斷裂的原因也是熱應力的影響.連接桿的材料是含碳量為百分之零點六的鋼，在電車車輛編組時，由于碰撞而斷裂.斷裂之處所承受的載荷并不是連接桿上最大的載荷.觀察金相組織，在位于方形斷面的斷裂邊緣的斷裂起點上，可以清楚地看到細晶組織.取樣，腐蝕研磨面，在顯微鏡下看到被淬火的馬氏體的斑點.掉過頭來，在連接桿的另一端，也能看到一樣的組織和現象.由此看出，兩端發生了燒傷.發生燒傷的原因是：電車的電流從因積雪而絕緣的動力車流過接地良好的連接車時，由于具有高絕緣電阻，使得連接桿在短時間里發生電弧放電，電弧的高溫使得連接桿的兩端被局部淬火，形成馬氏體組織，與附近的組織之間存在應力，形成了裂紋的起點，電車在編組時，連接桿發生碰撞，裂紋擴展，從而造成了連接桿的斷裂.

某不銹鋼制作的人骨鉆頭，使用一段時間后，鉆頭發生了斷裂.觀察斷面的損壞情況，是疲勞裂紋.查找損壞的原因，在斷裂的起點處，可以識別用電筆寫上的部分數字的痕跡.另一部分數字存在于另一斷裂部分.斷裂的原因應該有兩點，第一點是用電筆刻數字的地方，減少了承載面積，造成了應力集中;第二點，電筆在鉆頭上刻數字時，放電產生的高溫使鉆頭材料產生了熔化，該部位冷卻時發生局部淬火，導致淬火應力，形成初期裂紋.鉆頭在工作過程中，多次承受振動載荷，使初期裂紋發展成疲勞裂紋，最終造成了鉆頭的斷裂.

4.結束語

零件的性能和壽命受很多因素影響，溫度是其中一個重要的因素，要預防熱過載.