摘 要:某４５鋼鍛造卸扣在使用過程中發(fā)生了斷裂.通過化學(xué)成分分析、斷口分析、金相檢驗(yàn) 和力學(xué)性能測試等方法對斷裂卸扣和未斷裂卸扣進(jìn)行了對比分析.結(jié)果表明:鍛造過熱產(chǎn)生的表 面微裂紋和粗大組織是卸扣發(fā)生斷裂的原因,卸扣的承載能力和塑性變形能力下降,在外力作用下 裂紋不斷擴(kuò)展最終導(dǎo)致脆性斷裂.
關(guān)鍵詞:４５鋼;卸扣;脆性斷裂;過熱
中圖分類號:TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８７８Ｇ０５
卸扣作為一種吊裝工具,廣泛應(yīng)用于石油、電 力、機(jī)械、冶金等行業(yè),按照 GB/T２５８５４－２０１０ [１] 可分為 D形和弓形兩種,如圖１所示,兩種類型的 卸扣均由扣頂、扣體、螺紋銷軸和環(huán)眼四部分構(gòu)成. 卸扣的材料一般為碳鋼、合金鋼、不銹鋼和高強(qiáng)度 鋼等.
筆者單位采購的卸扣在服役過程中發(fā)生了斷 裂,該卸扣類型為 D 形,材料為４５鋼,鍛造后經(jīng)淬 火＋回火熱處理以消除應(yīng)力,其斷裂位置位于扣頂, 如圖２所示.為查明該卸扣的斷裂原因,以避免類 似問題再次發(fā)生,筆者對其和同批生產(chǎn)未斷裂的卸 扣進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和對比分析.
１ 理化檢驗(yàn)
１．１ 化學(xué)成分分析
在卸扣斷裂位置附近取樣,采用 ARL４４６０ 型 直讀光譜儀和 LECO CS６００型碳硫分析儀對其進(jìn) 行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表１.可見卸扣的各元素 含量符合 GB/T６９９－２０１５«優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼»對４５ 鋼的技術(shù)要求.
１．２ 斷口分析
利用乙醇對卸扣斷口進(jìn)行超聲清洗,然后采用 ZeissEVO１８型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口. 由圖３a)可以看出,斷口整體較平坦,無明顯塑性變 形,斷口由裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)兩部分組成,未發(fā) 現(xiàn)明顯的剪切唇,裂紋擴(kuò)展區(qū)呈放射狀花樣并逆指 向 裂紋源區(qū).圖３b)為斷口啟裂位置的微觀形貌,可以觀察到摩擦損傷痕跡,這是扣頂斷裂時兩側(cè)斷 口多次相互摩擦所致.圖３c)為裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀 形貌,其大部分區(qū)域呈現(xiàn)大小不一的冰糖塊狀,立體 感較強(qiáng),具有明顯的解理特征.對裂紋擴(kuò)展區(qū)進(jìn)一 步放大可見解理面上具有河流花樣,見圖３d),由此 判斷該卸扣的斷裂方式為脆性斷裂.
１．３ 金相檢驗(yàn)
垂直于卸扣斷裂面截取金相試樣,采用 Leica DM４０００M 型光學(xué)顯微鏡觀察其拋光態(tài)形貌,依據(jù) GB/T１０５６１－２００５ [２] 進(jìn) 行 夾 雜 物 評 級,結(jié) 果 見 表２,典型夾雜物形貌及尺寸如圖４所示.
同樣在未斷裂卸扣的相同位置取樣進(jìn)行金相 檢驗(yàn),結(jié)果如圖８所示.可以看出未斷裂卸扣的表 層脫碳不明顯.中心區(qū)域組織為均勻細(xì)小的珠光 體＋鐵素體,晶粒度評定結(jié)果為７．５級.
觀察發(fā)現(xiàn)在試樣的裂紋源區(qū)近表面處存在大 量黑色點(diǎn)狀物,如圖５a)所示.通過掃描電鏡進(jìn)一 步放大觀察 并 用INCA XＧAct型 能 譜 儀 (EDS)對 其進(jìn)行半定量成分分析,如圖５b)~d)所示.從能 譜圖可以看 出,灰 色 或 黑 色 物 質(zhì) 是 由 于 基 體 氧 化 形成的,而 不 是 煉 鋼 過 程 中 產(chǎn) 生 的 夾 雜 物.推 測 該氧化 物 是 卸 扣 在 鍛 造 過 程 中 的 高 溫 狀 態(tài) 下 形 成的.
為查明氧化物質(zhì)點(diǎn)的形成原因,沿著圖５a)中 的黑線位置切開,對試樣縱截面磨拋后進(jìn)行觀察,結(jié) 果發(fā)現(xiàn)在 卸 扣 表 面 附 近 存 在 大 量 的 微 裂 紋,見 圖 ６a).
將裂紋尖端即圖６a)圈注位置放大后可觀察 到氧化現(xiàn)象,見圖６b).為查明氧化物質(zhì)點(diǎn)的形成原因,沿著圖５a)中 的黑線位置切開,對試樣縱截面磨拋后進(jìn)行觀察,結(jié) 果發(fā)現(xiàn)在 卸 扣 表 面 附 近 存 在 大 量 的 微 裂 紋,見 圖 ６a).將裂紋尖端即圖６a)圈注位置放大后可觀察 到氧化現(xiàn)象,見圖６b).
１．４ 拉伸性能及硬度測試
對斷裂卸扣和未斷裂卸扣取樣進(jìn)行拉伸性能和 硬度測試,結(jié)果見表３.可以看出斷裂卸扣的抗拉 強(qiáng)度和硬度均比未斷卸扣的略高,但斷裂卸扣的斷后伸長率和斷面收縮率明顯較低,說明其塑性較差.
兩試樣的拉伸斷口形貌如圖９所示,未斷裂卸 扣拉伸試樣的斷口表現(xiàn)為具有韌窩特征的韌性斷 裂,韌窩均勻細(xì)小且較深,說明材料的塑性較好,見 圖９a).斷裂卸扣拉伸試樣的斷口為以韌窩為主、部分區(qū)域呈一定脆性特征的混合斷口,多數(shù)韌窩呈 扁平狀;另外斷口上還可以觀察到少量撕裂棱,斷面 上有凹陷和二次裂紋存在,表現(xiàn)出一定的脆性特征, 因此其塑性較差,見圖９b).
２ 分析與討論
由上述分析結(jié)果可知,斷裂卸扣的化學(xué)成分、抗 拉強(qiáng)度和表面硬度均滿足技術(shù)要求,材料的純凈度 正常,但斷裂卸扣的塑性較差,表現(xiàn)為脆性斷裂.從 力學(xué)性能測試結(jié)果來看,基本可以排除由于吊裝過 載而引起卸扣斷裂.從顯微組織分析結(jié)果來看,卸 扣斷口裂紋源區(qū)存在大量的微裂紋,且在裂紋周圍 及尖端存在氧化現(xiàn)象,同時表層脫碳嚴(yán)重,這說明裂 紋在卸扣使用前就已存在.另一方面,粗大的晶粒 和明顯的魏氏組織特征說明卸扣在鍛造過程中處于 過熱狀態(tài),因此微裂紋主要是由于鍛造過程中高溫 加熱不當(dāng)產(chǎn)生的.卸扣表面微裂紋為材料的內(nèi)在缺 陷,這使得卸扣的實(shí)際承載能力大幅降低[４],同時粗 大的過熱組織也降低了材料的塑性變形能力,卸扣 在吊運(yùn)過程中受到應(yīng)力作用時,微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展 最終導(dǎo)致其發(fā)生脆性斷裂[５].
３ 結(jié)論及建議
(１)鍛造過程中產(chǎn)生的表面微裂紋是該卸扣發(fā)生斷裂的主要原因,同時過熱使得材料組織粗大,塑 性變形能力下降,在外力作用下,裂紋不斷擴(kuò)展最終 導(dǎo)致卸扣發(fā)生脆性斷裂.
(２)卸扣生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制鋼的鍛造加熱 溫度,避免產(chǎn)生裂紋或不良顯微組織;加強(qiáng)卸扣出廠 前或使用前的質(zhì)量檢查.
參考文獻(xiàn):
[１] 全國起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會．一般起重用 D 形 和弓形鍛造卸扣:GB/T２５８５４－２０１０[S]．北京:中國 標(biāo)準(zhǔn)出版社,２０１１．
[２] 全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會．鋼中非金屬夾雜物含量 的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法:GB/T１０５６１－２００５ [S]．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,２００５．
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[４] LIXF,ZHANG J,SHEN S C,et al．Effect of temperingtemperatureandinclusionsonhydrogenＧ assistedfracturebehaviorsofalow alloysteel[J]． MaterialsScienceandEngineeringA,２０１７,６８２:３５９Ｇ ３６９．
[５] 黎華,盧忠銘,劉課秀,等．火電廠汽輪機(jī)葉片開裂原 因分析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊),２０１７,５３(３):１９７Ｇ ２００．