電梯曳引機(jī)用螺栓斷裂原因

羅海軍, 張 捷, 張 勝

[國(guó)家電梯質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(廣東), 佛山 518251]

某電梯在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生轎廂沖頂事故[1]，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，事故電梯曳引機(jī)制動(dòng)器的壓緊彈簧內(nèi)有螺栓發(fā)生斷裂[2]，斷裂螺栓的宏觀形貌如圖1所示。斷裂螺栓為某高強(qiáng)度鋼制六角法蘭面螺栓，材料為45#鋼，直徑為20 mm，強(qiáng)度等級(jí)為8.8級(jí)。筆者對(duì)該斷裂螺栓與同批次其他螺栓進(jìn)行了對(duì)比分析，確定了該螺栓斷裂失效的形式與原因，為避免類似事故再次發(fā)生提供了理論依據(jù)[3-4]。

圖1 斷裂螺栓的宏觀形貌

1 理化檢驗(yàn)

1.1 硬度測(cè)試

采用HRD-150型洛氏硬度計(jì)，在斷裂螺栓和同批次螺栓的中心區(qū)域(軸心線處)和1/2半徑區(qū)域分別進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂螺栓與同批次螺栓的整體硬度均分布較為均勻，但中心區(qū)域硬度均略低于1/2半徑區(qū)域的硬度；斷裂螺栓和同批次螺栓1/2半徑區(qū)域的洛氏硬度平均值分別為25.1 HRC和23.9 HRC，兩者均符合GB/T 3098.1—2010 《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》的要求，但接近于規(guī)定下限；斷裂螺栓中心區(qū)域的洛氏硬度為23.8 HRC，接近于GB/T 3098.1—2010的下限；同批次螺栓的中心區(qū)域?yàn)?2.5 HRC，低于GB/T 3098.1—2010的要求。

表1 斷裂螺栓和同批次螺栓的洛氏硬度測(cè)試結(jié)果 HRC

1.2 化學(xué)成分分析

采用線切割方法對(duì)斷裂螺栓的橫截面進(jìn)行取樣，經(jīng)過(guò)水磨砂紙打磨后，采用真空火花發(fā)射光譜儀對(duì)基體材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明斷裂螺栓中的碳和磷元素含量均超出GB/T 699—2015 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

表2 斷裂螺栓的化學(xué)成分 %

1.3 斷口分析

1.3.1 斷口宏觀分析

對(duì)螺栓的斷口進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)斷口表面比較平滑，斷裂面與軸向基本垂直。將斷口分成I～I(xiàn)V區(qū)域，其中I和II區(qū)有多個(gè)裂紋源，裂紋起始于螺栓齒根部位，并伴隨有明顯臺(tái)階，表明該區(qū)域所受的應(yīng)力或應(yīng)力集中程度較大；III區(qū)為裂紋擴(kuò)展區(qū)，有較明顯的“貝紋狀”花樣；IV區(qū)為最終斷裂區(qū)，這是由裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，截面縮小而材料疲勞強(qiáng)度不夠引起的，由此可以推斷螺栓斷裂形式屬于多源疲勞斷裂(見(jiàn)圖2)。

圖2 斷裂螺栓斷口宏觀形貌

1.3.2 斷口微觀分析

將斷口置于無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲清洗，10 min后吹干，用Quanta 200型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口的形貌。可以看出螺栓斷裂起始于螺紋齒根部位[見(jiàn)圖3a)]；該部位屬于應(yīng)力集中區(qū)域，具有較多的解理臺(tái)階[見(jiàn)圖3b)]；在螺紋邊緣有剪切唇存在，在斷口表面可以見(jiàn)到明顯的二次裂紋[見(jiàn)圖3c)]；在裂紋擴(kuò)展區(qū)部分區(qū)域有“海灘”花樣，呈現(xiàn)出比較明顯的片層狀結(jié)構(gòu)，具有大量表征疲勞斷裂的微觀“疲勞輝紋”，疲勞裂紋的擴(kuò)展主要以準(zhǔn)解理斷裂為主[見(jiàn)圖3d)]；最終斷裂區(qū)有大量的韌窩形成，呈韌性斷裂[5]特征形貌，這是因?yàn)殡S著疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，螺栓產(chǎn)生了一定的開(kāi)裂位移，導(dǎo)致施加在開(kāi)裂螺栓上的徑向力得到了一定的松弛釋放，從而形成了韌窩狀組織[見(jiàn)圖3e),3f)]。

圖3 斷裂螺栓斷口SEM形貌

1.4 金相檢驗(yàn)

在斷裂螺栓和同批次螺栓上截取徑向試樣，試樣經(jīng)機(jī)械打磨、拋光， 1/2半徑區(qū)域經(jīng)4%(體積分?jǐn)?shù)，下同)硝酸酒精溶液侵蝕8 s后，在純水+乙醇溶液中清洗并吹干，利用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行觀察，并依據(jù)GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測(cè)試方法》對(duì)試樣進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)[6]。由檢驗(yàn)結(jié)果可知：斷裂螺栓中心區(qū)域的顯微組織為片狀珠光體+白色網(wǎng)狀、針狀和塊狀分布的鐵素體，晶粒大小不均勻，有輕微的魏氏體，晶粒度等級(jí)評(píng)為8～9.5級(jí)[見(jiàn)圖4a)]。斷裂螺栓外表面區(qū)域的網(wǎng)狀鐵素體相對(duì)較少，晶粒度等級(jí)為9級(jí)[見(jiàn)圖4b)]。同批次螺栓中心區(qū)域的顯微組織與斷裂螺栓相似，但網(wǎng)狀鐵素體的分布有所不同，晶粒大小相對(duì)較均勻，晶粒度等級(jí)為9級(jí)[見(jiàn)圖5a)]。同批次螺栓外表面區(qū)域的顯微組織與斷裂螺栓相似，1/2半徑區(qū)域的網(wǎng)狀鐵素體明顯減少，晶粒更為細(xì)小，晶粒度等級(jí)為9.5級(jí)[見(jiàn)圖5b)]。

圖4 斷裂螺栓顯微組織形貌

圖5 同批次螺栓顯微組織形貌

1.5 脫碳層測(cè)試

根據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，采用HVS-10型維氏硬度計(jì)分別在斷裂螺栓和同批次螺栓試樣的外表面、1/2半徑區(qū)域和中心區(qū)域進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，結(jié)果如表3所示。由表3可知：斷裂螺栓和同批次螺栓的外表面區(qū)域的維氏硬度平均值分別為231.9 HV和250.4 HV，均小于GB/T 4340.1—2009要求(≥255 HV)，且遠(yuǎn)低于1/2半徑區(qū)域和中心區(qū)域，表明斷裂螺栓外表面有完全脫碳層[7]，同批次螺栓外表面有不完全脫碳層(見(jiàn)圖6)。

圖6 斷裂螺栓和同批次螺栓外表面顯微組織形貌

表3 螺栓不同區(qū)域的維氏硬度測(cè)試結(jié)果 HV

將試樣從中心剖開(kāi)，制備軸向試樣，再經(jīng)機(jī)械打磨和拋光后，用4%硝酸酒精溶液侵蝕20 s后對(duì)脫碳層進(jìn)行觀察，斷裂螺栓外表面有厚度約為55.96 mm的完全脫碳層[見(jiàn)圖7a)]，不符合GB/T 3098.1—2010的要求(≤15 mm)。同批次螺栓外表面有不完全脫碳層[見(jiàn)圖7b)]，不完全脫碳層硬度測(cè)試結(jié)果分別為299.3，258.2，233 HV，也不符合GB/T 3098.1—2010的要求。斷裂螺栓的完全脫碳層和同批次螺栓的不完全脫碳層內(nèi)均有裂紋[見(jiàn)圖8a)，8b)]。

圖7 斷裂螺栓和同批次螺栓脫碳層顯微組織形貌

圖8 斷裂螺栓和同批次螺栓脫碳層內(nèi)裂紋形貌

2 綜合分析

上述理化檢驗(yàn)結(jié)果表明：斷裂螺栓屬于多源疲勞斷裂，疲勞起源于應(yīng)力集中的螺栓齒根表面，齒根表面有不符合GB/T 4340.1—2009規(guī)定的脫碳層，降低了螺栓的硬度和疲勞強(qiáng)度，在長(zhǎng)期交變應(yīng)力的作用下螺栓發(fā)生疲勞斷裂。螺栓齒根部分缺乏有效的過(guò)渡圓弧，易形成應(yīng)力集中區(qū)域，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)其斷裂強(qiáng)度時(shí)，會(huì)在其應(yīng)力集中的薄弱處形成裂紋源。

斷裂螺栓的碳含量低于GB/T 699—2015要求的范圍，降低了螺栓的疲勞強(qiáng)度和硬度。斷裂螺栓的顯微組織為片狀珠光體+鐵素體(白色網(wǎng)狀、針狀和塊狀分布)，表明螺栓在熱處理時(shí)奧氏體化的加熱溫度過(guò)低或淬火前保溫時(shí)間不足，造成斷裂螺栓基體硬度的分散度加大，基體的疲勞強(qiáng)度明顯降低，塑性和韌性下降，尤其是沖擊韌性下降明顯，最終在螺栓裂紋擴(kuò)展區(qū)表現(xiàn)出準(zhǔn)解理斷口形貌的微觀特征。

3 結(jié)論與建議

該螺栓齒根表面有不合格脫碳層，齒根缺乏圓弧過(guò)渡，易形成應(yīng)力集中，螺栓的硬度、疲勞強(qiáng)度等各項(xiàng)性能均下降，在長(zhǎng)期交變應(yīng)力的作用下發(fā)生了疲勞斷裂。

建議加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控，對(duì)螺栓的化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織和表面缺陷等進(jìn)行嚴(yán)格檢查，嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，嚴(yán)格按工藝的要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，以獲得細(xì)密的回火索氏體，全面改善螺栓的塑性和韌性。同時(shí)適當(dāng)?shù)卦龃舐菟X根的圓弧半徑，降低加工表面粗糙度，以減少應(yīng)力集中。