連鑄機(jī)叉形臂斷裂原因分析

吳文祥　李強(qiáng)　夏志偉　顏景林

【摘 要】通過斷口形貌分析、金相組織分析、力學(xué)性能及化學(xué)成分檢測(cè)等方法對(duì)一起連鑄機(jī)叉形臂斷裂事故原因進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，叉形臂在長(zhǎng)期交變應(yīng)力的作用下，在焊趾處形成了疲勞裂紋，疲勞裂紋在巨大沖擊性載荷作用下發(fā)生快速擴(kuò)展，導(dǎo)致叉形臂發(fā)生瞬時(shí)沖擊斷裂。此外，鋼板中心存在分層缺陷和材質(zhì)屈服強(qiáng)度偏低，降低了鋼板的抗疲勞能力和抗沖擊能力，加快了裂紋擴(kuò)展。

【關(guān)鍵詞】疲勞裂紋 沖擊斷裂 焊趾 分層缺陷

【Abstract】A fracture accident of caster fork armwas analyzedby means ofthe morphology analysis of fracture， metallographic analysis， mechanical properties and chemical composition testing. The results show that the fatigue crack is formed on the surface at the weld toe under the effect of long-term alternating stress. The fatigue crack shows rapid expansion under huge impact load，resulting in instantaneous impact fracture of the fork arm. In addition， due to the layered defects in the center of the steel plate and the low yield strength of the material， the anti fatigue capability and the impact resistance of the steel plate are reduced， which accelerate the crack propagation.

【Key words】Fatigue crack； impact fracture； weld toe； layered defect

某鋼鐵企業(yè)發(fā)生一起連鑄機(jī)鋼水包叉形臂斷裂事故。事故發(fā)生時(shí)，板坯連鑄機(jī)鋼水包回轉(zhuǎn)臺(tái)在進(jìn)行座包作業(yè)，座包完成后在板鉤脫掛鉤的過程中板鉤未能正常脫出，鋼水包的吊耳被板鉤的鉤頭吊起約200mm高度后，鋼水包滑脫落到回轉(zhuǎn)臺(tái)的叉形臂上，巨大的鋼水包下墜沖擊，導(dǎo)致叉形臂斷裂，鋼水包跌落到地面上。為查明叉形臂斷裂原因，對(duì)叉形臂斷裂件進(jìn)行了綜合分析。

1 檢查結(jié)果

1.1 斷口檢查

圖1、圖2所示為叉形臂斷裂處的外觀形貌及斷口宏觀形貌。可以看出，斷裂部位兩側(cè)斷口的外觀形狀相似，兩側(cè)斷口上部鄰近上表面處均存在焊接痕跡，均有一小部分區(qū)域較平整，且該部位存在肉眼可見的疲勞輝紋，而其余大部分區(qū)域的斷口表面凹凸不平，且存在放射狀條紋。圖3所示為叉形臂斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌?？梢钥闯?，該部位斷口存在明顯的解理臺(tái)階，具備典型的解理斷裂特征。由此可知，上部較平整的區(qū)域?yàn)槠趨^(qū)，而其余部位為裂紋快速擴(kuò)展區(qū)，裂紋起源于叉形臂斷口上表面，并向下擴(kuò)展。此外，從圖2還可以看出，斷口中心部位存在一條沿縱向分布的線狀缺陷。

1.2 化學(xué)成分檢查

對(duì)斷口附近區(qū)域鋼板材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯嫘伪垆摪寤瘜W(xué)成分符合GB 6654-1996《壓力容器用鋼板》中對(duì)16MnR的成分要求。

1.3 力學(xué)性能檢查

對(duì)斷口附近區(qū)域鋼板進(jìn)行拉伸性能和沖擊性能試驗(yàn)。拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼板的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率符合GB 6654-1996《壓力容器用鋼板》中對(duì)16MnR的要求，但其屈服強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn)要求（表2）。沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼板的沖擊吸收功為54J，符合GB 6654-1996《壓力容器用鋼板》中16MnR沖擊吸收功不小于31J的要求。

1.4 金相檢查

對(duì)斷口附近區(qū)域鋼板進(jìn)行金相檢查，如圖4所示。鋼板顯微組織為鐵素體+珠光體的帶狀組織，未見異常。采用線切割方法，在裂紋起始部位，既垂直于斷口表面，又垂直于焊縫表面將斷口試樣切開，磨制橫截面金相試樣，以確定裂紋起始的確切位置，檢查結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯鸭y起始于焊趾處，即裂紋起源位置位于焊接熔合區(qū)與未熔合區(qū)（熱影響區(qū)）的交界處。

1.5 低倍檢查

對(duì)鋼板取樣進(jìn)行橫截面低倍組織缺陷檢查，發(fā)現(xiàn)鋼板中心部位存在分層現(xiàn)象，如圖6所示。這與圖2中所見的沿縱向分布的線狀缺陷相吻合。

2 分析與討論

斷口分析結(jié)果表明，叉形臂斷口明顯分為兩個(gè)區(qū)域：陳舊性開裂區(qū)和瞬時(shí)沖擊斷裂區(qū)。陳舊性開裂區(qū)位于叉形臂鋼板上表面，該區(qū)狹窄，斷口平齊，其前沿由幾個(gè)曲率半徑較大的弧形條紋構(gòu)成，斷口表面存在明顯的宏觀疲勞條紋。分析認(rèn)為，該陳舊性開裂區(qū)是叉形臂在頻繁的連鑄作業(yè)過程中在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的疲勞開裂。在焊接結(jié)構(gòu)件上，焊趾為焊縫的應(yīng)力集中區(qū)域，一些表面裂紋可能在焊趾上成核、擴(kuò)展，最終貫穿板厚。合理的焊接順序能夠極大地減少焊縫中的殘余應(yīng)力和變形，避免焊趾裂紋的產(chǎn)生[1]。連鑄機(jī)叉形臂焊趾部位受到高應(yīng)力的作用，同時(shí)還受到附加彎矩的作用，這是該處產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因，這也說明此處的焊接對(duì)整個(gè)叉形臂的使用性能造成了較大的影響。叉形臂的主斷口是在沖擊性載荷作用下發(fā)生的瞬時(shí)沖擊斷裂。根據(jù)斷口表面放射狀條紋的走向，叉形臂的斷裂是在受到從上向下的巨大沖擊力時(shí)斷裂的。鋼水包座包時(shí)操作不當(dāng)導(dǎo)致板鉤脫鉤形成巨大的沖擊載荷，是促使叉形臂突然斷裂的主要外因。由鋼板橫截面低倍檢查可知，鋼板心部存在分層現(xiàn)象。鋼板分層是中厚板生產(chǎn)過程中常見的缺陷之一。分層缺陷可導(dǎo)致鋼板力學(xué)性能惡化，特別是沿厚度方向的力學(xué)性能顯著降低，抗沖擊、抗疲勞能力減弱，易發(fā)生層狀撕裂，是一種易造成鋼板降級(jí)改判、嚴(yán)重時(shí)判廢的鋼板內(nèi)部缺陷[2]。鋼錠內(nèi)的氣泡、大塊的非金屬夾雜物、未完全切除的殘余縮孔或發(fā)生折疊，均可能引起鋼材的分層，而不太合理的軋制壓下規(guī)程又可能使分層加劇[3]。因此，本案例中鋼板中存在分層缺陷和材質(zhì)屈服強(qiáng)度偏低，降低了鋼板的抗疲勞能力和抗沖擊能力，加快了叉形臂的裂紋擴(kuò)展。

3 結(jié)語

（1）叉形臂斷裂鋼板化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、沖擊性能均符合GB 6654-1996《壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)中16MnR的規(guī)定。叉形臂斷裂鋼板顯微組織未見異常。（2）叉形臂在長(zhǎng)期交變應(yīng)力的作用下，在焊趾處形成了疲勞裂紋，疲勞裂紋在巨大沖擊性載荷作用下發(fā)生快速擴(kuò)展，導(dǎo)致叉形臂發(fā)生瞬時(shí)沖擊斷裂。此外，鋼板中心存在分層缺陷和材質(zhì)屈服強(qiáng)度偏低，降低了鋼板的抗疲勞能力和抗沖擊能力，加快了裂紋擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊永強(qiáng)，常志國，楊光 等.合理焊接順序在避免焊趾裂紋中的應(yīng)用實(shí)例[J].電焊機(jī)，2015（2）：89-91.

[2] 李為繆.鋼中非金屬夾雜物[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

[3] 臧曉俊，程軍，段雙霞.鋼板分層原因分析及改進(jìn)措施[J].山西冶金，2009（1）：53-54.

作者簡(jiǎn)介：吳文祥（1980—），男，浙江衢州人，博士，工程師，主要從事金屬構(gòu)件失效分析研究。E-mail：wwx985@163.com。