吊鉤斷裂失效原因分析

汪瑞俊

（池州市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，安徽 池州 247000）

某中板廠生產(chǎn)車間在吊運(yùn)板材時(shí)發(fā)生吊鉤斷裂事故，吊鉤的斷裂位置發(fā)生在吊鉤的倒角部位，其中倒角半徑為2mm，斷裂吊鉤的實(shí)物如圖1 所示。吊鉤的服役條件為最大起重量16t、材質(zhì)為20 號(hào)鋼、交貨狀態(tài)為經(jīng)熱軋?zhí)幚?，至事故發(fā)生時(shí)該吊鉤已服役4 個(gè)月。為查明吊鉤斷裂的原因,避免類似失效再發(fā)生，本文對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

圖1 斷裂吊鉤實(shí)物

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌觀察

為消除斷口油漬雜物，將斷口置于無(wú)水乙醇中超聲清洗。經(jīng)肉眼宏觀觀察吊鉤斷口發(fā)現(xiàn)，斷口面較為齊平，未見(jiàn)明顯的宏觀塑性變形，斷口呈結(jié)晶狀脆性斷口，并在斷面上發(fā)現(xiàn)有擴(kuò)展放射狀的撕裂嶺，由撕裂嶺擴(kuò)展路徑判斷，斷裂源應(yīng)位于吊鉤外側(cè)邊緣倒角處（圖2），裂紋由倒角邊緣向內(nèi)擴(kuò)展。由此初步判斷吊鉤斷裂應(yīng)為脆性斷裂。

圖2 吊鉤斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用火花直讀光譜儀對(duì)吊鉤的化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1 所示，結(jié)果符合GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 吊鉤化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.3 力學(xué)性能分析

在鉤頭位置分別取拉伸試樣和沖擊功試樣，力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明，吊鉤材質(zhì)屈服強(qiáng)度明顯要低于國(guó)標(biāo)要求。

表2 吊鉤力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

1.4 金相分析

采用線切割方式在吊鉤斷面分別截取金相樣1#、2#、3#，拋光后置于顯微鏡下觀察，根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)，發(fā)現(xiàn)1#、2#試樣存在超尺寸的硅酸鹽類夾雜物（圖3），夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)表3。金相組織采用4%硝酸酒精溶液侵蝕，1#、2#、3#試樣顯微組織均為鐵素體+珠光體（圖4），未見(jiàn)其他異常組織，平均晶粒度7.0 級(jí)。

表3 夾雜物及晶粒度級(jí)別評(píng)定結(jié)果

圖3 C 類超尺寸夾雜物

圖4 吊鉤顯微組織

1.5 斷口分析

在裂紋源區(qū)域截取試樣用于掃描電鏡（SEM）斷口的宏微觀分析，根據(jù)斷口宏觀形貌顯示，整體斷口形貌分為三個(gè)區(qū)：起始區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬時(shí)斷裂區(qū)（圖5），其中裂紋源區(qū)的放大形貌見(jiàn)圖6。從圖7 可以看出，裂紋源起始區(qū)斷口形貌呈較為明顯的漣波狀花樣特征，對(duì)裂紋源區(qū)進(jìn)一步放大，可見(jiàn)等軸狀的韌窩，擴(kuò)展區(qū)呈河流狀的解理斷裂花樣（圖8），瞬時(shí)斷裂區(qū)形貌為脆性解理狀的特征花樣（圖9）。

圖5 斷口宏觀形貌（SEM）

圖6 裂紋源區(qū)形貌（SEM）

圖7 裂紋源區(qū)漣波花樣（SEM）

圖8 韌窩斷裂與解理斷裂交界處花樣（SEM）

圖9 脆性解理斷裂花樣（SEM）

2 分析與討論

該吊鉤的化學(xué)成分、力學(xué)性能等常規(guī)理化性能按GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》檢驗(yàn)可知，吊鉤的化學(xué)成分及顯微組織基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，未發(fā)現(xiàn)有明顯的冶金缺陷。但是其屈服強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)下限值。在吊裝大載荷物件時(shí)，吊鉤易因超過(guò)其極限載荷而發(fā)生塑形變形。

根據(jù)斷裂吊鉤的宏觀形貌分析可知，吊鉤的斷裂屬脆性斷裂。吊鉤在使用過(guò)程中主要受拉伸載荷的作用。一般在服役條件下，倒角所在部位所要承受的載荷最大。

裂紋源區(qū)的漣波特征花樣表明吊鉤在開裂起始階段經(jīng)歷了較大的塑性變形，這應(yīng)是與吊鉤屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)下限值有關(guān)。條帶狀硅酸鹽夾雜屬脆性?shī)A雜，由于其塑性變形能力較差，不能隨金屬基體一起變形，因而容易變形的金屬在難以變形的硅酸鹽夾雜周圍塑性流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很大的應(yīng)力使夾雜物破碎而生成空隙，從而破壞了金屬基體組織的連續(xù)性。因此，吊鉤斷裂的主要原因是吊鉤內(nèi)部存在較多超尺寸的硅酸鹽夾雜和較低的屈服強(qiáng)度。倒角臺(tái)階部位產(chǎn)生的少量應(yīng)變會(huì)使倒角附近的超尺寸硅酸鹽夾雜與鋼基體界面形成孔洞，在較大的塑形變形下加快了微裂紋源的形成。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定尺寸時(shí)，由于承載面積的縮小而難以承受應(yīng)力載荷，導(dǎo)致裂紋的快速擴(kuò)展，最終造成吊鉤脆性解理斷裂。

3 結(jié)語(yǔ)

吊鉤的斷裂屬脆性斷裂。材質(zhì)中大尺寸的硅酸鹽夾雜和較低的屈服強(qiáng)度為微裂紋源的形成創(chuàng)造了條件，在服役狀態(tài)下，早倒角處形成微裂紋進(jìn)而擴(kuò)展，直至斷裂。建議提高鋼水的潔凈度及控制熱軋工藝措施，以減少鋼中大尺寸夾雜物，提高其力學(xué)性能。