吊環(huán)螺釘斷裂失效分析

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 宿遷 223800

0 引言

吊環(huán)螺釘作為緊固類零件廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，其主要作用是固定于被起吊物上，便于起重設(shè)備掛鉤[1]。吊環(huán)螺釘?shù)氖褂媒o生產(chǎn)帶來了極大便捷，若在使用過程中發(fā)生斷裂，將帶來極大危險(xiǎn)。某壓鑄件廠在模具的拆卸過程中發(fā)生了吊環(huán)螺釘斷裂事故，本文對斷裂的吊環(huán)螺釘進(jìn)行了分析，以查明其斷裂原因。

1 宏觀分析

如圖1所示，斷裂位置發(fā)生在螺釘從根部向外的3個(gè)螺牙，斷裂面與螺釘縱軸約成45 夾角。吊環(huán)的環(huán)部側(cè)面存在明顯壓痕，其雙吊點(diǎn)的另一吊環(huán)螺釘對稱位置同樣有類似壓痕。由此可知，吊環(huán)工作所受拉力非豎直方向，而是與豎直方向成一角度。

圖1 斷裂面及壓痕

圖2為吊環(huán)螺釘根部，其粗糙度及結(jié)構(gòu)形式均不符合GB/T 825—1988《吊環(huán)螺釘》中的要求。螺釘根部粗糙度過大，易造成應(yīng)力集中。

圖2 吊環(huán)螺釘根部

如圖3a所示為斷裂面，A點(diǎn)為起裂點(diǎn)，裂紋沿典型的放射線擴(kuò)展，在B區(qū)域形成瞬斷區(qū)，螺釘發(fā)生完全斷裂。在B點(diǎn)斷裂前，裂紋沿與軸向約45 的斜面擴(kuò)展，部分螺牙根部出現(xiàn)裂紋，如圖3b所示。

圖3 斷口整體形貌

斷口附近無明顯的塑性變形，在斷口根部可以觀察到呈圈狀的加工刀痕。從斷口形貌觀察可知，該斷口為典型的疲勞斷口，斷口平整，表面光滑，分為3個(gè)區(qū)域：疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，擴(kuò)展區(qū)所占斷口面積較大。

2 理化性能分析

2.1 金相檢驗(yàn)

在樣品的斷口附近以及未發(fā)生斷裂的部位進(jìn)行取樣，對其進(jìn)行非金屬夾雜物、金相組織及晶粒度檢測。

2.1.1 非金屬夾雜物

根據(jù)形態(tài)以及分布，鋼材中的非金屬夾雜物可分A、B、C、D及DS為五大類[2]。其中A類代表硫化物類，B類代表氧化鋁類，C類代表硅酸鹽類，D類代表球狀氧化物類，DS類代表單顆粒球狀類。

如圖4所示，對樣本放大100倍，對其進(jìn)行非金屬夾雜物含量測定，可發(fā)現(xiàn)樣本的非金屬夾雜物較嚴(yán)重，其中D類（球狀氧化物）較為嚴(yán)重。金屬中的非金屬夾雜物會對其機(jī)械性能產(chǎn)生影響，一定程度降低了疲勞特性、抗沖擊韌性及耐腐蝕性[3]。

圖4 非金屬夾雜及評級

2.1.2 晶粒度

晶粒度是表示晶粒大小的尺度。金屬的晶粒大小對金屬的許多性能有較大影響。晶粒度的影響，實(shí)質(zhì)是晶界面積大小的影響。晶粒越細(xì)小則晶界面積越大，對性能的影響也越大。對于金屬的力學(xué)性能而言，一般是晶粒越細(xì)小，則強(qiáng)度和硬度越高，同時(shí)塑性和韌性也越好[4]。

如圖5所示，將樣本放大200倍，對其進(jìn)行晶粒度分析可得，樣本平均晶粒度為5.5級[5]，GB/T 825—1988《吊環(huán)螺釘》中對規(guī)定吊環(huán)螺釘成品的晶粒度不應(yīng)低于5級，樣本符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5 晶粒度

2.1.3 晶粒的均布

圖6a、圖6b為斷裂螺釘不同部位取樣得到的樣本晶相圖。圖6a中鐵素體+珠光體組織呈等軸分布，而圖6b則為壓扁狀的鐵素體+珠光體組織，晶粒分布明顯不均勻。導(dǎo)致晶粒不均勻的原因推測可能是鍛造工藝不合理，鍛造過程各部位變形程度達(dá)到臨界變形區(qū)導(dǎo)致晶粒粗大，對螺釘?shù)某志眯阅芗翱蛊谛杂幸欢ㄓ绊憽?/p>

圖6 晶粒的均布

2.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對螺釘進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。斷裂的螺釘上標(biāo)記的材料為20號鋼，分析結(jié)果見表1，斷口表面的材料成分符合標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于20號鋼的要求[6]。

表1 斷裂螺釘?shù)幕瘜W(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.3 硬度測量

對螺釘斷面進(jìn)行硬度測試，如圖7所示，螺牙芯部（D位置）硬度值約為220HV1，遠(yuǎn)離螺牙區(qū)域（E位置）硬度值約為185HV1。導(dǎo)致D位置的硬度高于E位置的原因是螺紋區(qū)域脫碳現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致鐵素體含量升高，強(qiáng)度降低。在使用過程中，低強(qiáng)度的螺牙在外力擠壓下，鐵素體和珠光體組織被壓扁，產(chǎn)生加工硬化效果，導(dǎo)致硬度上升，如圖8所示。一般情況下，加工硬化可一定程度上提高耐磨性和疲勞強(qiáng)度，但同時(shí)又常伴隨大量細(xì)微裂紋的出現(xiàn)，零件的抗沖擊能力降低。

圖7 螺牙硬度

圖8 加工硬化

3 力學(xué)分析

發(fā)生斷裂時(shí)起重機(jī)吊鉤通過雙吊索對重物進(jìn)行起升作業(yè)，其起升工況可近似簡化為如圖9所示，其起升方式采用雙螺釘起吊，起吊過程中A處吊環(huán)螺釘發(fā)生斷裂。

圖9 工況示意圖

吊索長S=230.0 cm，兩個(gè)吊點(diǎn)間距S=135.5 cm，重物P=100 000 N，計(jì)算得夾角φ=72°。

對發(fā)生斷裂的吊環(huán)螺釘進(jìn)行受力分析，如圖10所示，吊環(huán)所受吊索的拉力可分解為平行于吊環(huán)支承面的切向力Ft和垂直于吊環(huán)支承面的法向力Fn。由于吊環(huán)螺釘自身的結(jié)構(gòu)，吊環(huán)支撐面與螺桿交匯點(diǎn)K為應(yīng)力集中點(diǎn)，而K點(diǎn)也是此次斷裂的起始點(diǎn)。

圖10 受力分析

發(fā)生斷裂的吊環(huán)螺釘?shù)牟牧蠟?0號鋼，屬于塑性材料，即其失效是以發(fā)生屈服現(xiàn)象、出現(xiàn)塑性變形為標(biāo)志的，故其失效分析適用第三或第四強(qiáng)度理論[7]。應(yīng)用解析法對P點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，可得

通常，由第四強(qiáng)度理論得出的結(jié)果比第三強(qiáng)度理論得出的結(jié)果大，故為安全起見，采用第四強(qiáng)度理論計(jì)算相當(dāng)應(yīng)力

對于采用20號鋼制造的吊環(huán)螺釘，其σs=245 MPa，此時(shí)危險(xiǎn)點(diǎn)K的相當(dāng)應(yīng)力σr4的值大于材料的屈服強(qiáng)度，螺釘因過載而導(dǎo)致斷裂的可能性不大。

4 結(jié)論

發(fā)生斷裂的吊環(huán)螺釘安裝于模具起吊點(diǎn)處，起重機(jī)械通過環(huán)鏈吊環(huán)，采用雙吊點(diǎn)的形式對模具進(jìn)行起吊作業(yè)。起吊作業(yè)時(shí)，吊環(huán)螺釘主要承受拉-拉載荷，并同時(shí)承受一定彎曲載荷。通過對現(xiàn)場工況受力分析可知，吊環(huán)螺釘?shù)南喈?dāng)應(yīng)力遠(yuǎn)低于其材料的屈服極限。故螺釘?shù)臄嗔褜儆诘椭芷跀嗔?。其發(fā)生低周疲勞斷裂的主要原因有：

1）吊環(huán)螺釘?shù)母艣r、螺紋根部、螺距等部位加工精度較差，不符合要求。

2）螺釘內(nèi)部存在大量非金屬夾雜物。

3）在螺釘根部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)?shù)醐h(huán)出現(xiàn)斜拉時(shí)，所受應(yīng)力較大，且方向出現(xiàn)偏移。距吊點(diǎn)最遠(yuǎn)端的螺釘根部位置所受拉力最大，在該位置出現(xiàn)起裂點(diǎn)，裂紋沿材料薄弱位置進(jìn)行擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。