分享：吊具用４５钢锻造卸扣断裂原因分析

摘 要:某４５钢锻造卸扣在使用过程中发生了断裂.通过化学成分分析、断口分析、金相检验 和力学性能测试等方法对断裂卸扣和未断裂卸扣进行了对比分析.结果表明:锻造过热产生的表 面微裂纹和粗大组织是卸扣发生断裂的原因,卸扣的承载能力和塑性变形能力下降,在外力作用下 裂纹不断扩展最终导致脆性断裂. 

关键词:４５钢;卸扣;脆性断裂;过热 

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８７８Ｇ０５

卸扣作为一种吊装工具,广泛应用于石油、电 力、机械、冶金等行业,按照 GB/T２５８５４－２０１０ [１] 可分为 D形和弓形两种,如图１所示,两种类型的 卸扣均由扣顶、扣体、螺纹销轴和环眼四部分构成. 卸扣的材料一般为碳钢、合金钢、不锈钢和高强度 钢等. 

笔者单位采购的卸扣在服役过程中发生了断 裂,该卸扣类型为 D 形,材料为４５钢,锻造后经淬 火＋回火热处理以消除应力,其断裂位置位于扣顶, 如图２所示.为查明该卸扣的断裂原因,以避免类 似问题再次发生,笔者对其和同批生产未断裂的卸 扣进行了一系列理化检验和对比分析. 

１ 理化检验 

１．１ 化学成分分析 

在卸扣断裂位置附近取样,采用 ARL４４６０ 型 直读光谱仪和 LECO CS６００型碳硫分析仪对其进 行化学成分分析,结果见表１.可见卸扣的各元素 含量符合 GB/T６９９－２０１５«优质碳素结构钢»对４５ 钢的技术要求.

１．２ 断口分析 

利用乙醇对卸扣断口进行超声清洗,然后采用 ZeissEVO１８型扫描电子显微镜(SEM)观察断口. 由图３a)可以看出,断口整体较平坦,无明显塑性变 形,断口由裂纹源区和裂纹扩展区两部分组成,未发 现明显的剪切唇,裂纹扩展区呈放射状花样并逆指 向 裂纹源区.图３b)为断口启裂位置的微观形貌,可以观察到摩擦损伤痕迹,这是扣顶断裂时两侧断 口多次相互摩擦所致.图３c)为裂纹扩展区的微观 形貌,其大部分区域呈现大小不一的冰糖块状,立体 感较强,具有明显的解理特征.对裂纹扩展区进一 步放大可见解理面上具有河流花样,见图３d),由此 判断该卸扣的断裂方式为脆性断裂. 

１．３ 金相检验

垂直于卸扣断裂面截取金相试样,采用 Leica DM４０００M 型光学显微镜观察其抛光态形貌,依据 GB/T１０５６１－２００５ [２] 进 行 夹 杂 物 评 级,结 果 见 表２,典型夹杂物形貌及尺寸如图４所示.

同样在未断裂卸扣的相同位置取样进行金相 检验,结果如图８所示.可以看出未断裂卸扣的表 层脱碳不明显.中心区域组织为均匀细小的珠光 体＋铁素体,晶粒度评定结果为７．５级.

观察发现在试样的裂纹源区近表面处存在大 量黑色点状物,如图５a)所示.通过扫描电镜进一 步放大观察 并 用INCA XＧAct型 能 谱 仪 (EDS)对 其进行半定量成分分析,如图５b)~d)所示.从能 谱图可以看 出,灰 色 或 黑 色 物 质 是 由 于 基 体 氧 化 形成的,而 不 是 炼 钢 过 程 中 产 生 的 夹 杂 物.推 测 该氧化 物 是 卸 扣 在 锻 造 过 程 中 的 高 温 状 态 下 形 成的. 

为查明氧化物质点的形成原因,沿着图５a)中 的黑线位置切开,对试样纵截面磨抛后进行观察,结 果发现在 卸 扣 表 面 附 近 存 在 大 量 的 微 裂 纹,见 图 ６a).

将裂纹尖端即图６a)圈注位置放大后可观察 到氧化现象,见图６b). 为查明氧化物质点的形成原因,沿着图５a)中 的黑线位置切开,对试样纵截面磨抛后进行观察,结 果发现在 卸 扣 表 面 附 近 存 在 大 量 的 微 裂 纹,见 图 ６a).将裂纹尖端即图６a)圈注位置放大后可观察 到氧化现象,见图６b). 

１．４ 拉伸性能及硬度测试

对断裂卸扣和未断裂卸扣取样进行拉伸性能和 硬度测试,结果见表３.可以看出断裂卸扣的抗拉 强度和硬度均比未断卸扣的略高,但断裂卸扣的断后伸长率和断面收缩率明显较低,说明其塑性较差.

两试样的拉伸断口形貌如图９所示,未断裂卸 扣拉伸试样的断口表现为具有韧窝特征的韧性断 裂,韧窝均匀细小且较深,说明材料的塑性较好,见 图９a).断裂卸扣拉伸试样的断口为以韧窝为主、部分区域呈一定脆性特征的混合断口,多数韧窝呈 扁平状;另外断口上还可以观察到少量撕裂棱,断面 上有凹陷和二次裂纹存在,表现出一定的脆性特征, 因此其塑性较差,见图９b). 

２ 分析与讨论 

由上述分析结果可知,断裂卸扣的化学成分、抗 拉强度和表面硬度均满足技术要求,材料的纯净度 正常,但断裂卸扣的塑性较差,表现为脆性断裂.从 力学性能测试结果来看,基本可以排除由于吊装过 载而引起卸扣断裂.从显微组织分析结果来看,卸 扣断口裂纹源区存在大量的微裂纹,且在裂纹周围 及尖端存在氧化现象,同时表层脱碳严重,这说明裂 纹在卸扣使用前就已存在.另一方面,粗大的晶粒 和明显的魏氏组织特征说明卸扣在锻造过程中处于 过热状态,因此微裂纹主要是由于锻造过程中高温 加热不当产生的.卸扣表面微裂纹为材料的内在缺 陷,这使得卸扣的实际承载能力大幅降低[４],同时粗 大的过热组织也降低了材料的塑性变形能力,卸扣 在吊运过程中受到应力作用时,微裂纹进一步扩展 最终导致其发生脆性断裂[５].

３ 结论及建议

(１)锻造过程中产生的表面微裂纹是该卸扣发生断裂的主要原因,同时过热使得材料组织粗大,塑 性变形能力下降,在外力作用下,裂纹不断扩展最终 导致卸扣发生脆性断裂. 

(２)卸扣生产过程中应严格控制钢的锻造加热 温度,避免产生裂纹或不良显微组织;加强卸扣出厂 前或使用前的质量检查.

参考文献: 

[１] 全国起重机械标准化技术委员会．一般起重用 D 形 和弓形锻造卸扣:GB/T２５８５４－２０１０[S]．北京:中国 标准出版社,２０１１． 

[２] 全国钢标准化技术委员会．钢中非金属夹杂物含量 的测定 标准评级图显微检验法:GB/T１０５６１－２００５ [S]．北京:中国标准出版社,２００５． 

[３] 全国钢标准化技术委员会．金属平均晶粒度测定方 法:GB/T６３９４－２０１７[S]．北 京:中 国 标 准 出 版 社, ２０１７． 

[４] LIXF,ZHANG J,SHEN S C,et al．Effect of temperingtemperatureandinclusionsonhydrogenＧ assistedfracturebehaviorsofalow alloysteel[J]． MaterialsScienceandEngineeringA,２０１７,６８２:３５９Ｇ ３６９． 

[５] 黎华,卢忠铭,刘课秀,等．火电厂汽轮机叶片开裂原 因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(３):１９７Ｇ ２００． 

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