楊 博，彭 磊

(中天鋼鐵集團有限公司)

引言

卸扣是索具的一種，國內(nèi)市場上常用的卸扣按生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)一般分為國標(biāo)、美標(biāo)和日標(biāo)3類[1]；按形式可分為弓形(歐米茄形)帶母卸扣和D形(U形或直形)帶母卸扣。卸扣材料常見的有碳鋼、合金鋼、不銹鋼、高合金鋼等。表面處理一般分為鍍鋅(熱鍍和電鍍)、涂漆等[2]。

某單位使用2支45鋼鍛造卸扣吊運約10t鋼材時，其中1支卸扣在使用過程中發(fā)生斷裂。該卸扣類型為弓形鍛造卸扣，材料為45鋼，極限工作載荷為6.5t，其斷裂位置位于扣頂處右側(cè)。為查明該卸扣斷裂原因，為產(chǎn)品改進提供參考，通過化學(xué)成分分析、斷口形貌分析、金相檢驗和力學(xué)性能測試等方法對斷裂的卸扣進行失效分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌檢驗

所取45鋼鍛造卸扣斷裂試樣宏觀形貌見圖1，實際測量尺寸(圖2)W=42.3mm、D=24.6mm、S=87.3mm、d=21.2mm，符合美標(biāo)弓形卸扣(GB 2130)技術(shù)參數(shù)要求(W≥36.6mm、S≥84.1mm、D≤25.4mm、d≤21.2mm)。

圖1 鍛造卸扣斷裂試樣宏觀形貌 圖2 弓形卸扣示意圖

觀察發(fā)現(xiàn)卸扣斷裂位于扣頂處右側(cè)，斷裂源區(qū)位于扣頂內(nèi)側(cè)表面，扣頂內(nèi)側(cè)表面存在嚴(yán)重的塑性變形現(xiàn)象，斷裂源附近并有多處與斷口平行的橫向裂紋，見圖3、圖4；斷口中斷裂源處有兩處黃黑色的斑塊，整個斷面較平齊，有從黃黑色斑塊發(fā)散的放射裂紋棱，見圖5。

1.2 化學(xué)成分分析

采用OBM750直讀光譜儀對斷裂卸扣進行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。卸扣的各元素含量符合GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對45鋼的技術(shù)要求。

表1 斷裂卸扣的化學(xué)成分 (質(zhì)量分數(shù)/%)

1.3 硬度測試

對斷裂卸扣進行布氏硬度測試，分析結(jié)果見表2，卸扣的硬度滿足GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對45鋼技術(shù)要求。

表2 斷裂卸扣的布氏硬度

1.4 金相檢驗

依據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》[4]垂直于卸扣斷裂面截取縱向試樣，采用Axios Imager.M2m型蔡司全自動金相顯微鏡進行金相檢驗，發(fā)現(xiàn)斷裂源處存在折疊裂紋缺陷，裂紋深約0.8mm，裂紋縫隙內(nèi)存在灰色氧化鐵，裂紋開口處一側(cè)還存在鍍鋅層；使用4%硝酸酒精對試樣浸蝕后進行檢驗，發(fā)現(xiàn)基體組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，裂紋周圍存在高溫氧化質(zhì)點且存在嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，見圖6、圖7。在斷裂源附近的卸扣表面也發(fā)現(xiàn)有折疊裂紋，該裂紋已張開，裂紋兩側(cè)有脫碳及高溫氧化質(zhì)點，見圖8、圖9。

圖6 斷裂源處折疊裂紋一側(cè)微觀形貌

圖7 斷裂源處折疊裂紋微觀組織形貌

圖8 斷裂源附近卸扣表面發(fā)現(xiàn)的折疊裂紋微觀組織形貌

圖9 斷裂源附近卸扣表面發(fā)現(xiàn)的折疊裂紋微觀形貌

1.5 裂紋斷面微觀形貌分析

利用乙醇對卸扣斷口進行超聲清洗，采用EVO18型蔡司掃描電子顯微鏡(SEM)觀察卸扣斷口的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)斷面形貌具有解理特征，斷裂源區(qū)黃黑色斑塊與脆性斷面交界處的微觀形貌具有韌窩特征[3]，見圖10～圖12；通過掃描電鏡進一步放大觀察并用X射線牛津能譜儀對斷裂區(qū)黃黑色斑塊進行成分分析，如表3所示，檢驗發(fā)現(xiàn)斷裂源區(qū)黃黑色斑塊大部分區(qū)域表面氧化較嚴(yán)重，表面覆蓋著大量的氧化物，說明黃黑色斑塊區(qū)域?qū)訇惻f裂紋，見圖13。

表3 斷裂源區(qū)黃黑色斑塊區(qū)域的能譜檢測結(jié)果 (質(zhì)量分數(shù)/%)

2 分析討論

(1)檢測分析發(fā)現(xiàn)，該斷裂卸扣為弓形鍛造卸扣，卸扣極限工作載荷為6.5t。卸扣實際測量尺寸符合美標(biāo)弓形卸扣(GB 2130)技術(shù)參數(shù)。根據(jù)斷裂卸扣化學(xué)成分分析結(jié)果判斷，斷裂卸扣材質(zhì)為45鋼，各元素含量符合GB/T 699-2105《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中45鋼的成分規(guī)范，斷裂卸扣基體組織及硬度值也屬于正常組織及硬度范圍。

(2)卸扣斷裂位于扣頂處右側(cè)，斷裂源區(qū)位于扣頂內(nèi)側(cè)表面，扣頂內(nèi)側(cè)表面存在嚴(yán)重的塑性變形，表明扣頂內(nèi)側(cè)表面在使用中受到外物的擠壓。斷裂源附近并有多處與斷口平行的橫向裂紋，斷裂源處有兩處黃黑色斑塊區(qū)域，其表面覆蓋有氧化鐵，說明黃黑色斑塊區(qū)域?qū)訇惻f裂紋。

(3)在斷裂源處發(fā)現(xiàn)存在折疊裂紋缺陷，裂紋深約0.8mm，裂紋縫隙內(nèi)存在灰色氧化鐵，裂紋周圍存在高溫氧化質(zhì)點且有嚴(yán)重脫碳現(xiàn)象，裂紋開口處一側(cè)還存在鍍鋅層。另外在斷裂源附近的卸扣表面也發(fā)現(xiàn)有折疊裂紋，該裂紋已張開，裂紋兩側(cè)有脫碳及高溫氧化質(zhì)點。這些特征說明斷裂源是由卸扣表面折疊裂紋所引起的。

綜合分析，推測卸扣發(fā)生斷裂，是由于該卸扣表面存在眾多的鍛造細小折疊裂紋，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，在使用過程中處于扣頂內(nèi)側(cè)表面的這些折疊裂紋缺陷受到外物的擠壓，使其產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形，導(dǎo)致原有的細小折疊裂紋張開擴展及延伸，形成陳舊裂紋。當(dāng)?shù)踹\鋼材出現(xiàn)突然偏載時，相當(dāng)于卸扣受到?jīng)_擊載荷作用，便產(chǎn)生以陳舊裂紋為源的脆性斷裂。

3 結(jié)論

45鋼鍛造弓形卸扣表面存在的細小鍛造折疊裂紋缺陷是導(dǎo)致卸扣承載時斷裂的主要原因，在外力作用下，裂紋不斷擴展最終導(dǎo)致卸扣發(fā)生脆性斷裂。

通過分析表明，為避免卸扣使用中發(fā)生嚴(yán)重的質(zhì)量問題，在使用卸扣前應(yīng)仔細檢驗，卸扣表面應(yīng)光滑平整，不得有裂紋、銳邊等缺陷；在卸扣使用操作時應(yīng)平穩(wěn), 盡量避免沖擊載荷。