安全帶掛鉤失效分析

韓玉龍

（山西省機電設(shè)計研究院有限公司，山西太原 030009）

1 試驗過程與結(jié)果

某公司在安裝作業(yè)施工時，安裝人員使用的安全帶掛鉤發(fā)生斷裂事故。該公司提供了發(fā)生斷裂事故的安全帶掛鉤兩件，一件已發(fā)現(xiàn)斷裂、另一件未斷裂。通過外觀檢查、化學(xué)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(tài)的掛鉤，可見斷裂掛鉤斷口有銹蝕現(xiàn)象,斷口處小環(huán)鉤體圓鋼外側(cè)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(qū)，圓鋼直桿部分側(cè)斷口處外側(cè)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(huán)鉤體與直桿

另一件未斷裂掛鉤，一側(cè)圓鋼直桿部分與小環(huán)鉤體彎曲過渡處圓鋼外側(cè)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(qū)（圖2）。

圖2 未斷裂掛鉤外側(cè)有凹形擠壓痕跡

1.2 化學(xué)成分試驗分析

對斷裂掛鉤進(jìn)行化學(xué)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(jié)果表明，掛鉤材料化學(xué)成分符合Q235 結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 顯微組織分析

對斷裂掛鉤進(jìn)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(jié)果表明，掛鉤基體組織為大量的鐵素體+珠光體，組織狀態(tài)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(xì)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(huán)側(cè)斷口處鉤體圓鋼外側(cè)凹形擠壓變形處形成鉤體圓鋼截面較小的變截面區(qū)，凹形擠壓變形變截面區(qū)位于終斷區(qū)域外側(cè)，終斷區(qū)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(qū)及終斷區(qū)邊沿斷口形貌×73

斷口微觀分析表明，起裂區(qū)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(qū)內(nèi)的擴(kuò)展速率緩慢，裂紋表面受反復(fù)擠壓、摩擦。裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞條紋逐漸粗糙，紋路逐漸增大呈現(xiàn)疲勞波紋，及疲勞擴(kuò)展韌窩；裂紋擴(kuò)展至終斷區(qū)，斷裂時形成粗條紋終斷區(qū)域（圖8～圖10）。斷口微觀分析認(rèn)為，由于疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，使掛鉤零件圓鋼的有效截面逐漸減小，使用應(yīng)力增加時，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展至凈截面的應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂應(yīng)力時，便發(fā)生瞬時斷裂。

圖8 疲勞源區(qū)×488

圖9 疲勞擴(kuò)展區(qū)×1510

圖10 終斷區(qū)斷口形貌×1210

2 分析與討論

（1）掛鉤材料化學(xué)成分符合Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)要求，基體組織狀態(tài)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(cè)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(qū)、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(huán)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(nèi)側(cè)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(qū)域有銹蝕現(xiàn)象。說明該掛鉤鉤體小環(huán)頸部一側(cè)圓鋼直桿部分與小環(huán)彎曲過渡處、掛鉤強度較薄弱部位前期已產(chǎn)生部分開裂紋。前期，掛鉤斷裂部位承受了拉應(yīng)力和剪應(yīng)力作用，斷裂不是一次應(yīng)力作用的結(jié)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(chǎn)生部分開裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展使掛鉤圓鋼的有效截面逐漸減小，最后在使用時裂紋擴(kuò)展至掛鉤圓鋼凈截面的應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂應(yīng)力，導(dǎo)致掛鉤發(fā)生瞬時斷裂。

3 結(jié)論

掛鉤圓鋼斷口中，靠鉤體內(nèi)側(cè)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(qū)域有銹蝕現(xiàn)象。掛鉤承受過異常外力作用，造成掛鉤斷裂部位前期已產(chǎn)生部分開裂紋，疲勞裂紋擴(kuò)展使掛鉤圓鋼有效截面逐漸減小。最后使用時，疲勞裂紋擴(kuò)展至掛鉤圓鋼凈截面的應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂應(yīng)力，導(dǎo)致掛鉤發(fā)生瞬時斷裂。