5510型塔機(jī)塔頂支板斷裂的個(gè)案分析

簡忠武

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙，410082）

5510型塔機(jī)塔頂支板斷裂的個(gè)案分析

簡忠武

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙，410082）

某單位一臺(tái)5510型塔機(jī)在使用10月左右的時(shí)間后其塔頂支板發(fā)生斷裂。對(duì)該塔頂支板進(jìn)行宏觀斷口檢測(cè)與分析、金相檢驗(yàn)、化學(xué)成份和力學(xué)性能檢驗(yàn)，結(jié)果表明，該零件斷裂主要原因是金屬疲勞所致，其疲勞壽命降低的主要原因是安裝或使用過程中受到過較大載荷的沖擊碰撞及原材料中存在非金屬夾雜物。

塔機(jī)；塔頂支板；宏觀斷口檢驗(yàn)與分析

塔機(jī)（又稱“塔吊”），“塔式起重機(jī)”簡稱，是建筑施工中常用的一種起重設(shè)備。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑樓群的密集，塔機(jī)的使用越來越廣泛。近幾年來因超載使用、材料質(zhì)量、加工缺陷、結(jié)構(gòu)疲勞等原因造成的事故時(shí)有發(fā)生”[1-2]。委托單位一臺(tái)5510型塔機(jī)在使用10月左右的時(shí)間后其塔頂支板發(fā)生斷裂，造成整機(jī)報(bào)廢的事故。該塔機(jī)使用環(huán)境為某建設(shè)集團(tuán)有限公司在異地?cái)U(kuò)建工程項(xiàng)目部工地，其塔頂支板宏觀斷口形貌見圖1、2，據(jù)委托單位提供的資料，塔頂支板的生產(chǎn)工藝流程為：板材沿軋制方向下料→折彎成175.5度→焊接成形，該塔頂支板工作過程中受拉壓交變應(yīng)力的作用，其設(shè)計(jì)的最大受壓力為295KN，最大一受拉力為164KN。

圖1 塔頂支板原始宏觀斷面

圖2 經(jīng)超聲波清洗后的塔頂支板宏觀斷面

1 宏觀斷口檢驗(yàn)與分析

因斷裂時(shí)間較久，塔頂支板宏觀斷口已被繡蝕，見圖1。為使斷裂信息清晰對(duì)斷面進(jìn)經(jīng)超聲波清洗，清洗后的斷面見圖2。由圖2可見斷面上有隱約可見的貝紋線，兩端有較明顯的放射花樣。對(duì)于矩形或板狀構(gòu)件，順著放射花樣逆向追溯到裂紋源，如圖2紅包箭頭所指，說明該塔頂支板斷裂裂紋源位于板的外側(cè)表面中央?yún)^(qū)域。最終斷裂區(qū)為圖2中藍(lán)色箭頭所標(biāo)識(shí)，從其顏色觀察判斷，最終斷裂區(qū)所占面積與整個(gè)斷面比相對(duì)較小，代表裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展的過程較長，最后導(dǎo)致瞬時(shí)斷裂，符合金屬疲勞斷裂特點(diǎn)。該斷口上未見有白點(diǎn)、氫脆等其它破斷信息，由此可判斷該構(gòu)件屬金屬的疲勞斷裂。

2 取樣部位與取樣方法

2.1 鉆取化學(xué)成份試樣；

2.2 按GB713-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取拉伸試樣；

2.3 用線切割方法取金相試樣，取樣位置為上述分析判斷的裂源處（見圖3）。

圖3 金相取樣位置

3 檢驗(yàn)結(jié)果

3.1 化學(xué)成份和力學(xué)性能：檢驗(yàn)結(jié)果見表1

表1 化學(xué)成份和力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 金相檢驗(yàn)

基體組織為鐵素體+少量索氏體，其組織具有較較明顯的魏氏組織特征，見圖4，在斷口面附近存在若干細(xì)小微裂紋，分別見圖5、圖6、圖7，所有微裂紋均沿非金屬夾雜物開裂，基體內(nèi)也存在未開裂的相同類型、形狀類似的非金屬夾雜物，見圖8。

圖4 基體金屬組織500×

圖5 斷裂面附近微裂紋（全貌）50×

圖6 斷裂面附近微裂紋(局部1)100×

圖7 斷裂面附近微裂紋(局部2)100×

同時(shí)，微裂紋附近有晶粒被拉長發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象，見圖9、圖10。而在未開裂的夾雜物處晶粒沒有出現(xiàn)塑性變形的現(xiàn)象，見圖11。

圖8 基體內(nèi)部的非金屬夾雜物100×

圖9 裂紋周圍晶粒出現(xiàn)塑性變形(1)200×

圖10 裂紋周圍晶粒出現(xiàn)塑性變形(2)200×

圖11 夾雜物周圍未變形晶粒500×

4 分析

4.1 通過理化檢驗(yàn)可知該塔頂支板化學(xué)成份符合GB/T1591-2008標(biāo)準(zhǔn)要求（見表1），但成份合格并不能保證它在使用過程中不斷裂，從斷口分析可知塔頂支板屬金屬早期疲勞斷裂[3]；

4.2 造成該塔頂支板發(fā)生早期疲勞斷裂的原因分析

4.2.1 原材料中存冶金質(zhì)量缺陷：眾所周知，疲勞斷裂過程分三個(gè)不同的發(fā)展階段，即裂源的產(chǎn)生、裂紋的擴(kuò)展和最后瞬時(shí)斷裂，其主要特點(diǎn)斷裂應(yīng)力遠(yuǎn)比靜載荷條件下的抗拉強(qiáng)度低甚至遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度，其次斷口上無明顯塑性變形的痕跡，因此盡管本塔頂支板設(shè)計(jì)的最大受壓力僅為295KN，最大一受拉力為164KN，理論上遠(yuǎn)不足以使它斷裂。但金屬的疲勞斷裂就大不相同了，它是在交變應(yīng)力作用下裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展的過程，因此，該塔頂支板裂紋源的產(chǎn)生出現(xiàn)是影響其早期斷裂的主要因素。由圖5、6、7、9、10可見該塔頂支板中還有較多沒有擴(kuò)展的潛在微裂紋，這些潛在的裂紋源都是伴隨有非金屬夾雜物，證明原材料中非金屬夾雜物（GB/T1591-2008標(biāo)準(zhǔn)中未做具體要求）為裂源的產(chǎn)生提供了有利條件。

4.2.2 塔頂支板斷裂面附近曾受過較大的沖擊或碰撞：由圖9、圖10可見微裂紋附近有晶粒被拉長發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象，這種微區(qū)的塑性變形只有存局部曾受強(qiáng)烈沖擊或碰撞后才有可能出現(xiàn)，毫無疑問該構(gòu)件局部曾所受到的沖擊外力超過了其屈服強(qiáng)度才使其晶粒發(fā)生塑性變形，而同時(shí)非金屬夾雜物的客觀存在共同導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。光存在夾雜物而不受外力沖擊并沒有產(chǎn)生微裂紋，見圖8、11，因此，微裂紋的產(chǎn)生是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果。

4.2.3 塔頂支板的金相組織、力學(xué)性能對(duì)裂紋的擴(kuò)展有利:由圖4可見基體組織具有魏氏組織特征，這是一種過熱狀態(tài)的組織形貌，意謂著塔頂支板的強(qiáng)度及塑性達(dá)不到Q345B這種鋼材的理想狀態(tài)，從表1中證實(shí)其屈服強(qiáng)度只有318Mpa，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中要術(shù)的Rel 345Mpa的技術(shù)條件，強(qiáng)度較低、組織過熱，裂紋擴(kuò)展的阻力下降，塔頂支板的抗疲勞性能自然會(huì)降低。

5 結(jié)論

5.1 該塔頂支板屬金屬疲勞[4]；

5.2 造成其疲勞壽命降低的主要原因是安裝或使用過程中受到過較大載荷的沖擊碰撞及原材料中存在非金屬夾雜物。

[1]陳安軍.塔機(jī)倒塌事故分析和教訓(xùn)[J].浙江建筑，2006，23(1)：56-58.

[2]邱海濤，劉潔.塔式起重機(jī)基礎(chǔ)對(duì)塔機(jī)安全使用的影響[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2005，(2)：69-70.

[3]李運(yùn)菊，高威，張衛(wèi)方等.操縱桿早期疲勞斷裂分析[J].材料工程，2003，（z1）：102-103,110.DOI:10.3969/j.issn.1001-4381.2003. z1.030。

[4]郝富杰.概述金屬疲勞產(chǎn)生的原因及影響因素[J].山西建筑, 2011,37(11)：51-52.DOI:10.3969/j.issn.1009-6825.2011.11.032.

Analysis of Support Plate Fracture in 5510 Model Tower Crane Top in Some Company

JIAN Zhongwu
(Hunan Industry Polytechnic,Changsha410082,Hunan)

Fracture of the support plate in 5510 model tower crane top occurred after it had been used 10 months in some company.Fracture morphology,microstructure,chemical composition and mechanical properties of the tower crane top support plate were tested and analyzed.It has been demonstrated that the fracture was caused by metal fatigue.Large impact load during installation and usage and non-metallic inclusions existing in raw material may be the main causes which decreased the fatigue life.

tower crane;support plate;fracture morphology

TG113.1

A

1671-5004（2015）04-0011-03

2015-6-20

簡忠武（1984-），男，湖南茶陵縣人，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師、技師、機(jī)械工程師，研究方向：機(jī)械制造大類模具設(shè)計(jì)與制造。