安全帶掛鉤失效分析

韓玉龍

（山西省機電設計研究院有限公司，山西太原 030009）

1 試驗過程與結果

某公司在安裝作業施工時，安裝人員使用的安全帶掛鉤發生斷裂事故。該公司提供了發生斷裂事故的安全帶掛鉤兩件，一件已發現斷裂、另一件未斷裂。通過外觀檢查、化學成分試驗分析、硬度試驗分析、金相顯微組織分析和掃描電鏡斷口等分析，確定掛鉤斷裂的原因。

1.1 外觀檢查

檢查斷裂狀態的掛鉤，可見斷裂掛鉤斷口有銹蝕現象,斷口處小環鉤體圓鋼外側有凹形擠壓痕跡，該凹形擠壓痕跡處鉤體圓鋼截面形成變截面區，圓鋼直桿部分側斷口處外側為彎曲過渡弧形，彎曲過渡弧形處有擠壓痕跡（圖1）。

圖1 斷裂掛鉤小環鉤體與直桿

另一件未斷裂掛鉤，一側圓鋼直桿部分與小環鉤體彎曲過渡處圓鋼外側有凹形擠壓痕跡，該凹形擠壓痕跡處鉤體圓鋼截面較小，形成變截面區（圖2）。

圖2 未斷裂掛鉤外側有凹形擠壓痕跡

1.2 化學成分試驗分析

對斷裂掛鉤進行化學成分分析，元素C、Mn、P、S 和Si 的含量分別為0.17%、40%、0.026%、0.023%和0.18%。試驗結果表明，掛鉤材料化學成分符合Q235 結構鋼化學成分的標準要求。

1.3 顯微組織分析

對斷裂掛鉤進行顯微組織及硬度分析，金相組織形貌如圖3～圖5 所示。試驗結果表明，掛鉤基體組織為大量的鐵素體+珠光體，組織狀態正常；掛鉤圓鋼表面無脫碳、無其他組織；鋼中非金屬夾雜物為A 類細系1.0 級、D 類粗系1.0 級，鋼中純凈度符合要求。

圖3 基體組織

圖4 表面組織

圖5 非金屬夾雜

1.4 掃描電鏡斷口分析

斷口分析表明，掛鉤小環側斷口處鉤體圓鋼外側凹形擠壓變形處形成鉤體圓鋼截面較小的變截面區，凹形擠壓變形變截面區位于終斷區域外側，終斷區域邊沿可見擠壓平面（圖6、圖7）。

圖6 斷口形貌×21

圖7 變截面區及終斷區邊沿斷口形貌×73

斷口微觀分析表明，起裂區微觀有明顯的平坦的疲勞磨損面，是兩個斷裂面相對摩擦造成的，裂紋在源區內的擴展速率緩慢，裂紋表面受反復擠壓、摩擦。裂紋擴展區疲勞條紋逐漸粗糙，紋路逐漸增大呈現疲勞波紋，及疲勞擴展韌窩；裂紋擴展至終斷區，斷裂時形成粗條紋終斷區域（圖8～圖10）。斷口微觀分析認為，由于疲勞裂紋不斷擴展，使掛鉤零件圓鋼的有效截面逐漸減小，使用應力增加時，當疲勞裂紋擴展至凈截面的應力達到材料的斷裂應力時，便發生瞬時斷裂。

圖8 疲勞源區×488

圖9 疲勞擴展區×1510

圖10 終斷區斷口形貌×1210

2 分析與討論

（1）掛鉤材料化學成分符合Q235 碳素結構鋼標準要求，基體組織狀態正常，圓鋼表面無脫碳，鋼中純凈度符合要求。

（2）掛鉤鉤體圓鋼外側存在制造加工凹形擠壓變形狀況，形成鉤體圓鋼截面較小的變截面區、鉤體強度較薄弱部位。

（3）掛鉤斷裂位于鉤體圓鋼直桿部分與小環彎曲過渡處、鉤體強度較薄弱部位。

（4）掛鉤圓鋼斷口中，靠鉤體內側的斷口局部有兩個斷裂面相對摩擦造成的平坦的疲勞磨損面，斷口中部區域有銹蝕現象。說明該掛鉤鉤體小環頸部一側圓鋼直桿部分與小環彎曲過渡處、掛鉤強度較薄弱部位前期已產生部分開裂紋。前期，掛鉤斷裂部位承受了拉應力和剪應力作用，斷裂不是一次應力作用的結果。掛鉤曾承受過異常外力作用，造成掛鉤斷裂部位前期已產生部分開裂紋，裂紋不斷擴展使掛鉤圓鋼的有效截面逐漸減小，最后在使用時裂紋擴展至掛鉤圓鋼凈截面的應力達到材料的斷裂應力，導致掛鉤發生瞬時斷裂。

3 結論

掛鉤圓鋼斷口中，靠鉤體內側的斷口局部有兩個斷裂面相對摩擦造成的平坦的疲勞磨損面，斷口中部區域有銹蝕現象。掛鉤承受過異常外力作用，造成掛鉤斷裂部位前期已產生部分開裂紋，疲勞裂紋擴展使掛鉤圓鋼有效截面逐漸減小。最后使用時，疲勞裂紋擴展至掛鉤圓鋼凈截面的應力達到材料的斷裂應力，導致掛鉤發生瞬時斷裂。