檢查桿斷裂原因

付洋洋

(上海材料研究所有限公司 檢測中心，上海 200437)

碳素鋼是指碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.021 8%～2.11%的鐵碳合金，碳素鋼具有較高的屈服強(qiáng)度和高性價比，在許多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。某單位所用的檢查桿在運(yùn)行期間發(fā)生斷裂，該檢查桿的材料為Q235B鋼，經(jīng)鍛造處理、機(jī)械加工整體尺寸后，進(jìn)行表面處理，表面處理的方式為冷鍍鋅+防水漆。斷裂檢查桿的宏觀形貌如圖1所示。筆者對該檢查桿進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn)分析，查明了檢查桿斷裂的原因，以避免該類事故再次發(fā)生。

圖1 斷裂檢查桿的宏觀形貌

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

在檢查桿斷口處截取試樣，經(jīng)超聲清洗后置于體視顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：斷口整體較為平整，與軸向大致垂直，未見明顯塑性變形；斷口上部無金屬光澤，發(fā)生過嚴(yán)重磨損；斷口下部有金屬光澤，可見明顯的貝紋線，貝紋線指向斷口上部的邊緣；斷口上部邊緣為裂紋源區(qū)，裂紋源區(qū)處可見臺階，符合疲勞斷裂的特征。

圖2 檢查桿斷口處的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

對斷裂檢查桿進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見斷裂檢查桿的化學(xué)成分符合GB/T 700—2006 《碳素結(jié)構(gòu)鋼》對Q235B鋼的要求。

表1 斷裂檢查桿的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 力學(xué)性能測試

斷裂檢查桿的力學(xué)性能測試結(jié)果如表2所示，可見該檢查桿的力學(xué)性能均符合GB/T 700—2006對Q235B鋼的要求。

表2 斷裂檢查桿的力學(xué)性能測試結(jié)果

1.4 掃描電鏡(SEM)分析

將檢查桿斷口超聲清洗后，進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷口磨損較為嚴(yán)重，裂紋源區(qū)附近可見明顯的臺階特征；擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶處可見二次裂紋及大致平行的疲勞輝紋；瞬斷區(qū)可見韌窩形貌。

圖3 斷口的SEM形貌

1.5 能譜分析

在檢查桿斷口處截取剖面試樣，然后進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：在裂紋內(nèi)部和斷口處均能發(fā)現(xiàn)Zn元素，說明裂紋在冷鍍鋅工藝之前就已經(jīng)出現(xiàn)，在鍍鋅的過程中，Zn元素進(jìn)入到了裂紋內(nèi)部。

圖4 斷口剖面處能譜分析結(jié)果

1.6 金相檢驗(yàn)

在檢查桿斷口剖面截取試樣并進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：斷口處顯微組織為鐵素體+珠光體，在裂紋內(nèi)部和斷口處顯微組織發(fā)生形變。

圖5 斷口剖面處的顯微組織形貌

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)分析結(jié)果可知，斷裂檢查桿的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合GB/T 700—2006的要求，該檢查桿的顯微組織為珠光體+鐵素體。斷口具有明顯的疲勞特征，斷口源區(qū)磨損較為嚴(yán)重，可見多個臺階，擴(kuò)展區(qū)存在二次裂紋及疲勞輝紋，瞬斷區(qū)的微觀形貌呈韌窩特征。斷口剖面處裂紋內(nèi)部和斷口處含有Zn元素，而檢查桿在加工完成后進(jìn)行了冷鍍鋅處理，說明裂紋在冷鍍鋅工藝之前就已經(jīng)出現(xiàn)。在使用過程中，裂紋處屬于薄弱環(huán)節(jié)，容易造成應(yīng)力集中，受到循環(huán)載荷后，檢查桿發(fā)生疲勞斷裂[2-4]。

3 結(jié)論及建議

檢查桿在冷鍍鋅之前就已有裂紋存在，受到循環(huán)載荷后，該裂紋擴(kuò)展直至發(fā)生疲勞斷裂。

建議在鍛造加工結(jié)束后對檢查桿進(jìn)行無損檢測，及時排查檢查桿內(nèi)部的裂紋缺陷，以避免出現(xiàn)該類疲勞斷裂事故。