發(fā)電機(jī)支架斷裂原因分析

■ 焦麗，陳德良，徐向陽，葛保紅

某型柴油發(fā)動機(jī)用發(fā)電機(jī)支架在考核試驗過程中發(fā)生早期斷裂，服役時間約400h，在更換相同型號支架后試驗繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)考核試驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)該支架于相同部位再次發(fā)生斷裂。經(jīng)了解該支架材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)20碳素結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)熱軋?zhí)幚砗笾苯鱼娤?、焊接加工成形，直接投入使用。為了判明此次事故的原因，我們對前后兩次的失效支架進(jìn)行失效分析。

1. 理化檢驗

（1）宏觀分析 該支架結(jié)構(gòu)及斷裂部位如圖1所示，可見斷裂發(fā)生于結(jié)構(gòu)拐角處的支架耳部，裂紋與耳部垂直并貫穿支架壁厚，使耳部與支架主體完全分離開來（見圖2）。

將斷裂部位用丙酮清洗后觀察（見圖3），可見斷口基本與水平方向垂直，無明顯宏觀塑性變形痕跡，為正應(yīng)力作用下的結(jié)晶狀脆性平齊斷口。斷面1/3范圍可見深褐色銹蝕產(chǎn)物，屬陳舊性斷口，為早期斷裂部位。其余2/3面積為淺灰色顆粒狀，并伴有金屬光澤，屬新鮮斷口，為最后斷裂部位。裂紋源位于耳部邊緣的A處。并可見以A點為輻射源的放射狀條紋呈不規(guī)則扇形擴(kuò)展，其擴(kuò)展路徑在銹蝕產(chǎn)物的作用下更為明顯。

（2）化學(xué)成分檢測 在失效支架上取樣，對其化學(xué)成分進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1。可見其各元素含量均符合GB/T699—1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中20鋼關(guān)于各元素的要求，說明發(fā)電機(jī)支架材質(zhì)本身無質(zhì)量問題。

（3）非金屬夾雜物檢測 按照GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》要求，切取并磨制金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察其縱向磨面，檢測結(jié)果分別見圖4和表2，可見該支架非金屬夾雜物含量符合相關(guān)技術(shù)要求。

圖1 支架結(jié)構(gòu)及斷裂部位

圖2 斷裂分離的耳部

表1 支架化學(xué)成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（4）金相組織檢測 在支架耳部取樣并檢測其金相組織為：鐵素體+珠光體（呈明顯帶狀分布）。晶粒度為6～7級。根據(jù)GB/T 13299—1991 《鋼的顯微組織評定方法》中帶狀組織評級圖：帶狀組織級別為：B系列4級（見圖5），屬于較嚴(yán)重的帶狀組織。

（5）布氏硬度測試 測得其布氏硬度為133HBW。因支架形狀尺寸的限制，無法對其取樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、伸長率和沖擊韌度等力學(xué)性能進(jìn)行測試。只能從布氏硬度數(shù)值上初步了解其性能概況。但經(jīng)以往大量試驗表明：帶狀組織對材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度影響并不大，但卻使垂直于軋制方向（即垂直于帶狀方向）的斷后伸長率、斷面收縮率，以及沖擊韌度的值明顯降低。

2. 綜合分析與討論

（1）帶狀組織的危害 從金相組織檢測結(jié)果可知材料中存在明顯的帶狀偏析。由于帶狀組織中相鄰顯微組織不同，性能也存在差異，強(qiáng)弱帶之間必然會產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而造成力學(xué)性能的整體降低，并且存在明顯的各向異性，在外力作用下易沿帶狀組織發(fā)生層狀撕裂，為材料的早期失效奠定了組織基礎(chǔ)。

（2）消除帶狀組織模擬試驗 我們按照20鋼的常規(guī)熱處理工藝對其進(jìn)行正火處理，處理后的金相組織如圖6所示，可見帶狀組織得到明顯改善，說明該支架帶狀組織的成因是熱加工工藝不當(dāng)，但經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼鹛幚砜梢愿纳坪拖?/p>

（3）綜合分析 從支架外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計和加工來說，縱觀支架整體形貌，可見加工粗糙，焊縫明顯，隨處可見刀痕和坑洼，說明整體加工質(zhì)量欠佳。由圖1中支架的結(jié)構(gòu)和斷裂部位可看出，斷裂發(fā)生于橫豎鋼板的拐角處，此處原本就屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，本應(yīng)有用于減小應(yīng)力集中的圓弧過渡區(qū)域，但卻出現(xiàn)了明顯的加工臺階，如此明顯的機(jī)械加工缺陷無疑會造成應(yīng)力集中區(qū)域，為裂紋的萌生和擴(kuò)展打開了通道。

從支架的整體加工工藝看，熱軋鋼板使用前并未做正火處理，也未進(jìn)行相應(yīng)理化檢測試驗，造成帶有缺陷組織的原材料直接轉(zhuǎn)入下一道工序。另外，支架鋼板焊接之后也未做退火或正火處理，將不可避免地造成焊接殘余應(yīng)力的存在，在一定程度上加快了支架的脆性斷裂進(jìn)程。

3. 建議

第一，從支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工上加大耳部拐角處的圓弧過渡區(qū)域，減小應(yīng)力集中程度。第二，加大入廠原材料檢驗力度，避免不合格品流入。第三，改善熱處理工藝，保證材料的熱處理質(zhì)量，避免出現(xiàn)組織缺陷。第四，對焊接件及時進(jìn)行去應(yīng)力退火，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

圖3 斷口宏觀形貌

圖4 支架非金屬夾雜物形貌

圖5 支架顯微組織

圖6 支架正火后顯微組織

表2 支架非金屬夾雜物檢測結(jié)果 （級）