Q345B鋼魚尾板鍛件斷裂原因

閆利軍, 高拯鐸, 王寶強

(撫順永茂建筑機械有限公司, 撫順 113006)

塔式起重機(以下簡稱塔機)是機械、航空、航天等制造業(yè)不可缺少的重要設(shè)備[1]，隨著我國各行業(yè)基本建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，對塔機的安全可靠性提出了更高的要求。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)是塔機中最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)之一，其安全性和穩(wěn)定性關(guān)系到整個塔機的正常運行[2]。魚尾板作為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的連接部件，要求其具有優(yōu)良的力學(xué)性能和沖擊韌性。

某塔機在拆裝搬運時，其標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上的魚尾板發(fā)生橫向斷裂。為了查明斷裂原因，將斷裂的魚尾板從標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上切割下來，并對其進行理化檢驗。魚尾板為模鍛成型，并進行了正火處理，材料為Q345B鋼，魚尾板外形尺寸(長×寬×高)為550 mm×150 mm×30 mm。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂魚尾板鍛件的宏觀形貌如圖1所示，箭頭指示為斷口。魚尾板鍛件整體未見到明顯的宏觀形變，其沿橫截面完全斷裂，斷口面外形規(guī)則。

魚尾板斷口橫截面的宏觀形貌如圖2所示，斷面與板的軸向垂直，斷口整體比較粗糙。斷口上半部分有明顯的人字紋，人字紋的頂部指向左側(cè)，說明斷裂是從左向右發(fā)展的；斷口下部邊緣有剪切邊，說明該處是最后斷裂的部位。綜合判斷，斷裂是從左上角起始并向右、向下發(fā)展的。人字紋和剪切邊都位于斷口上，整個斷口未見塑性變形，說明魚尾板斷裂屬于脆性斷裂[3]。魚尾板斷口橫截面左側(cè)局部放大的宏觀形貌如圖3所示，由圖3可以觀察到許多閃點，此外斷口上還可觀察到一些小裂口，如圖3中箭頭指示。

1.2 掃描電鏡分析

采用掃描電鏡(SEM)分析斷口，斷裂源處SEM形貌如圖4所示。由圖4可知：斷口較粗糙，無疲勞斷裂的特征，也未見有早期裂紋的痕跡；有小塊區(qū)域較其他部位平坦，是斷裂后磕碰造成的。圖4b)為斷口磕碰區(qū)和未磕碰區(qū)相鄰處的局部放大圖像，發(fā)現(xiàn)其以解理斷口和少量的沿晶斷口為主，有些地方斷口有受壓的痕跡，是魚尾板受到磕碰的地方。

1.3 化學(xué)成分分析

在斷裂的Q345B鋼魚尾板上取樣，采用直讀光譜儀對魚尾板的材料進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，其化學(xué)成分中碳元素的質(zhì)量分數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1591—2008 《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》要求偏高。

表1 Q345B鋼魚尾板鍛件的化學(xué)成分 %

1.4 力學(xué)性能測試

在魚尾板鍛件長度方向(縱向)截取拉伸試樣，將其加工成直徑為8 mm的圓形截面試樣，其拉伸試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知：測試結(jié)果符合GB/T 1591—2018對厚度為16～35 mm的Q345B鋼的要求。

在魚尾板鍛件長度方向(縱向)上截取沖擊試樣，試樣尺寸(長×寬×高)為55 mm×10 mm×10 mm，V型缺口深度為2 mm，缺口的軸線垂直于魚尾板的上下表面。魚尾板的試驗溫度和沖擊吸收能量如表3所示，由表3可知：魚尾板的沖擊吸收能量明顯低于GB/T 1591—2018相關(guān)要求，而且沖擊試樣呈結(jié)晶狀斷口，顆粒粗大，斷口基本沒有發(fā)生塑性變形，呈顯著的脆性斷裂特征[4]。

表2 Q345B鋼魚尾板的拉伸性能

表3 Q345B鋼魚尾板的試驗溫度和沖擊吸收能量

1.5 金相檢驗和能譜分析

在Q345B鋼魚尾板上取樣進行金相檢驗，結(jié)果如圖5～6所示，由圖5～6可知：其組織為鐵素體+珠光體，這是Q345B鋼的正常組織。檢查試樣的磨面時，發(fā)現(xiàn)有許多黑色區(qū)域，分析可知為夾雜物，其最大尺寸可達約1 mm(見圖6)。

對夾雜物進行X射線能譜分析，結(jié)果如圖7所示，由圖7可知：夾雜物主要以Si，Al，Ca，Na，Mn等元素為主，屬于鋁硅酸鹽類夾雜物[5]。

2 綜合分析

該魚尾板的斷口分析結(jié)果表明：魚尾板斷裂屬于瞬時脆性斷裂，該魚尾板斷口的微觀形貌為解理斷口，對夾雜物進行X射線能譜分析，可知其屬于鋁硅酸鹽類夾雜物。這些夾雜物的存在顯著降低了鋼的韌性，破壞了鋼基體的均勻性和連續(xù)性，造成了應(yīng)力集中，促進了裂紋的產(chǎn)生，并加速了裂紋的擴展[6-7]，因此當(dāng)受到外力沖擊時魚尾板發(fā)生了脆性斷裂。

3 結(jié)語

斷裂魚尾板的沖擊吸收能量低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值，其斷口的宏觀形貌十分平坦，并呈現(xiàn)出解理斷口的微觀特征，屬于脆性斷裂。鋼中含有較多且較大的非金屬夾雜物，降低了魚尾板的韌性。非金屬夾雜物是沖擊吸收能量降低和脆性斷裂發(fā)生的主要原因。

建議加強對魚尾板鍛件的質(zhì)量檢驗和監(jiān)控，例如進行超聲波檢測等[8]，并按原材料驗收標(biāo)準(zhǔn)對其進行沖擊性能的復(fù)檢。