吊桿連接件斷裂分析

倪 棟

前言

吊桿連接件是維修升降平臺的重要連接部件。某維修公司在使用過程中吊桿連接件斷裂造成升降平臺墜落事故，因此造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。眾所周知,力學(xué)性能是決定一個構(gòu)件使用安全性的主要因素之一[1]。對于升降平臺件來說，吊桿連接件在整個結(jié)構(gòu)中主要有兩種作用：聯(lián)接絲桿、平臺及承載，因此其安全性主要取決于吊桿連接件是否具有足夠高的強(qiáng)度和良好的韌性。本文針對5個斷裂的吊桿連接件，通過拉伸試驗(yàn)、化學(xué)成分、微觀形貌及金相組織等試驗(yàn)手段進(jìn)行分析，研究其斷裂原因，最后針對失效原因提出了預(yù)防和改進(jìn)建議。

試驗(yàn)過程及結(jié)果

1.外形及宏觀斷口

由維修公司提供的圖紙可查驗(yàn)：吊桿連接件全長102.5mm，由螺紋段、光桿和圓環(huán)組成，圓環(huán)外徑為Φ45mm，光桿直徑為Φ19.5mm，螺紋直徑為Φ22mm，吊桿連接件牌號為20#鋼，未進(jìn)行熱處理。斷裂的吊桿連接件外形如圖1所示，分別標(biāo)識為1#～5#。5個試樣外表面有明顯的腐蝕坑。

圖1 吊桿連接件外形

對5個吊桿聯(lián)接件的外形尺寸進(jìn)行測量，測量數(shù)值與圖紙相比較均未小于設(shè)計(jì)值，且肉眼未發(fā)現(xiàn)宏觀塑性變形和頸縮現(xiàn)象。1#與2#斷裂發(fā)生在圓環(huán)處，如圖2、3所示，斷面基本與軸向垂直，斷面具有放射狀條紋，由內(nèi)向外發(fā)生斷裂，斷面有明顯的疏松和孔洞。3#、4#與5#斷裂發(fā)生在光桿處，分別如圖4、5和6所示，斷口形貌基本一致，斷面基本與軸向垂直，斷面具有由中心向四周發(fā)散的放射狀條紋，中心區(qū)域較平坦，晶粒較細(xì)，為裂源區(qū)。

圖2 （1#斷口）

圖3 （2#斷口）

圖4 （3#斷口）

圖5 （4#斷口）

圖6 （5#斷口）

2.力學(xué)性能和化學(xué)成分

對1#和2#件取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果分別為185MPa和105MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20#鋼最低410MPa的技術(shù)要求，同時觀察到拉伸斷口有明顯缺陷和夾雜存在。

對5個吊桿連接件取樣進(jìn)行材質(zhì)分析，測試結(jié)果如表1所示，從試驗(yàn)結(jié)果可得出結(jié)論：1#～5#件的材質(zhì)明顯與20#鋼不相符合[2]，Mn元素含量都偏低，1#、4#和5#的C含量基本接近0.25%的上偏差值，而2#和3#的C含量超過標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 化學(xué)成分

3.斷口微觀形貌及低倍酸蝕試驗(yàn)

對5件吊桿連接件斷口分別進(jìn)行掃描電鏡觀察與分析[3]。1#斷口在掃描電鏡下可看到其斷裂形態(tài)，在裂源區(qū)可看到較多的孔洞和微裂紋，分別如圖7、8所示。在局部區(qū)域呈現(xiàn)撕裂韌窩形貌，如圖9所示。

圖7 SEI 100×

圖8 SEI 1000×

圖9 SEI 1000×

2#斷口在掃描電鏡下可看到其河流花樣的斷裂形態(tài)，如圖10所示。在斷裂邊緣區(qū)可看到一些微裂紋存在，如圖11所示。在局部區(qū)域可觀察到撕裂韌窩形貌和疏松孔洞，如圖12所示。

圖10 SEI 100×

圖11 SEI 100×

圖12 SEI 1000×

3#斷口在掃描電鏡下可看到其斷裂形貌，在裂源處存在微裂紋和孔洞，如圖13所示，同時可觀察到沿晶斷裂形貌，如圖14所示。

圖13 SEI 100×

圖14 SEI 1000×

4#斷口在掃描電鏡下可看到基本呈現(xiàn)解理斷裂形態(tài)，如圖15所示，斷口具有河流花樣和解理臺階，并有微裂紋和孔洞。局部區(qū)域呈現(xiàn)解理花樣和韌窩，并有夾雜和孔洞，如圖16所示。

圖15 SEI 60×

圖16 SEI 1000×

5#斷口在掃描電鏡下可看到其斷裂形貌，同樣可看到解理花樣和撕裂的韌窩，并有較長的二次裂紋，如圖17所示；在斷口邊緣區(qū)域可以觀察到較多的裂紋和孔洞，如圖18所示。

圖17 SEI 500×

圖18 SEI 100×

1#～5#件斷口裂紋中都可看到夾雜物，經(jīng)能譜儀測定后推斷為氧化物夾雜 （主要含Al、O元素）。對3#、4#和5#件接近斷口的橫向截面進(jìn)行低倍酸蝕試驗(yàn)，可以觀察到3#和4#存在殘余縮孔現(xiàn)象，而5#一般疏松評級約為2級。

4.金相組織

對1#件在裂源位置附近取樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，可觀察到二次裂紋和較嚴(yán)重的黑色夾雜物無規(guī)則分布，如圖19、20、21所示，其徑向面和周向面的基體組織都為鐵素體和珠光體，鐵素體從奧氏體晶界上生長出來，近似平行，呈羽毛狀或三角形，這種組織形態(tài)稱為魏氏組織。

圖19 100×

圖20 OMI 100×（徑向面）

圖21 OMI 100×（周向面）

對2#件同樣在裂源位置附近取樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，可觀察到較嚴(yán)重的黑色夾雜物無規(guī)則分布，如圖22所示，其徑向面和周向面的組織形態(tài)為魏氏組織形態(tài)，在周向面上還可觀察到裂紋，如圖23、24 所示。

圖22 100×

圖23 OMI 100×（徑向面）

圖24 OMI 100×（周向面）

對3#件在中心位置附近取樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，可觀察到黑色夾雜和孔洞，如圖25所示，其橫向截面和縱向剖面的組織形態(tài)也為魏氏組織形態(tài)，分別如圖26、27所示。

圖25 100×（橫向截面）

圖26 OMI 100×（橫向截面）

圖27 OMI 100×（縱向截面）

對4#件在中心位置附近取樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，也可觀察到黑色夾雜和孔洞，如圖28所示，其橫向截面和縱向剖面的組織形態(tài)也為魏氏組織形態(tài)，分別如圖29、30所示。

圖28 100×（橫向截面）

圖29 OMI 100×（橫向截面）

圖30 OMI 100×（縱向截面）

對5#件在中心位置附近取樣進(jìn)行金相試驗(yàn)，可觀察到黑色夾雜不規(guī)則分布，如圖31所示，其橫向截面和縱向剖面的組織形態(tài)也為魏氏組織形態(tài)，分別如圖32、33所示。

圖31 100×（橫向截面）

圖32 OMI 100×（橫向截面）

圖33 OMI 100×（縱向截面）

分析及改進(jìn)

通過上述的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明，首先5個吊桿連接件的材質(zhì)都與設(shè)計(jì)不相符合，其次吊桿連接件存在較為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，最后其存在疏松、夾雜和縮孔等缺陷，基體組織呈魏氏組織形態(tài)分布，而魏氏組織是一種缺陷組織[4]，其使材料的力學(xué)性能尤其是塑性和沖擊韌性顯著降低。

因此，為了提高產(chǎn)品的可靠性，必須在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程及使用中最大限度地糾正與控制各種偶然并預(yù)防與根除各種必然故障[5]。根據(jù)對失效吊桿連接件的分析，一方面在原材料控制方面應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，另一方面在設(shè)計(jì)上建議增加熱處理手段，消除材料的缺陷組織，同時增強(qiáng)構(gòu)件的防腐蝕性能。通過上述措施，有效避免類似故障的發(fā)生。

結(jié)論

本文采用宏觀斷口、力學(xué)性能與化學(xué)成分測試、微觀形貌掃描及金相組織等試驗(yàn)方法對5個吊桿連接件的斷裂原因進(jìn)行了測試。一是吊桿連接件所用材料其化學(xué)成分和力學(xué)性能均不符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699-2015中20#鋼的要求；二是吊桿連接件表面及芯部都存在氧化物夾雜、孔洞和疏松等缺陷；三是吊桿連接件的基體組織呈魏氏組織形態(tài)。因此，吊桿連接件在使用過程中，當(dāng)外加的復(fù)合載荷達(dá)到一定值時，吊桿連接件就會發(fā)生瞬時的脆性斷裂。