发电机支架断裂原因分析

2015-04-23焦丽陈德良徐向阳葛保红

金属加工(热加工) 2015年17期

■ 焦丽，陈德良，徐向阳，葛保红

某型柴油发动机用发电机支架在考核试验过程中发生早期断裂，服役时间约400h，在更换相同型号支架后试验继续进行。当考核试验结束后发现该支架于相同部位再次发生断裂。经了解该支架材质为优质20碳素结构钢，经热轧处理后直接铣削、焊接加工成形，直接投入使用。为了判明此次事故的原因，我们对前后两次的失效支架进行失效分析。

1. 理化检验

（1）宏观分析该支架结构及断裂部位如图1所示，可见断裂发生于结构拐角处的支架耳部，裂纹与耳部垂直并贯穿支架壁厚，使耳部与支架主体完全分离开来（见图2）。

将断裂部位用丙酮清洗后观察（见图3），可见断口基本与水平方向垂直，无明显宏观塑性变形痕迹，为正应力作用下的结晶状脆性平齐断口。断面1/3范围可见深褐色锈蚀产物，属陈旧性断口，为早期断裂部位。其余2/3面积为浅灰色颗粒状，并伴有金属光泽，属新鲜断口，为最后断裂部位。裂纹源位于耳部边缘的A处。并可见以A点为辐射源的放射状条纹呈不规则扇形扩展，其扩展路径在锈蚀产物的作用下更为明显。

（2）化学成分检测在失效支架上取样，对其化学成分进行检测，结果见表1。可见其各元素含量均符合GB/T699—1999《优质碳素结构钢》中20钢关于各元素的要求，说明发电机支架材质本身无质量问题。

（3）非金属夹杂物检测按照GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》要求，切取并磨制金相试样，在光学显微镜下观察其纵向磨面，检测结果分别见图4和表2，可见该支架非金属夹杂物含量符合相关技术要求。

图1 支架结构及断裂部位

图2 断裂分离的耳部

表1 支架化学成分检测结果（质量分数）（%）

（4）金相组织检测在支架耳部取样并检测其金相组织为：铁素体+珠光体（呈明显带状分布）。晶粒度为6～7级。根据GB/T 13299—1991 《钢的显微组织评定方法》中带状组织评级图：带状组织级别为：B系列4级（见图5），属于较严重的带状组织。

（5）布氏硬度测试测得其布氏硬度为133HBW。因支架形状尺寸的限制，无法对其取样进行抗拉强度、伸长率和冲击韧度等力学性能进行测试。只能从布氏硬度数值上初步了解其性能概况。但经以往大量试验表明：带状组织对材料的抗拉强度和屈服强度影响并不大，但却使垂直于轧制方向（即垂直于带状方向）的断后伸长率、断面收缩率，以及冲击韧度的值明显降低。

2. 综合分析与讨论

（1）带状组织的危害从金相组织检测结果可知材料中存在明显的带状偏析。由于带状组织中相邻显微组织不同，性能也存在差异，强弱带之间必然会产生应力集中，因而造成力学性能的整体降低，并且存在明显的各向异性，在外力作用下易沿带状组织发生层状撕裂，为材料的早期失效奠定了组织基础。

（2）消除带状组织模拟试验我们按照20钢的常规热处理工艺对其进行正火处理，处理后的金相组织如图6所示，可见带状组织得到明显改善，说明该支架带状组织的成因是热加工工艺不当，但经过适当的正火处理可以改善和消除。

（3）综合分析从支架外部结构的设计和加工来说，纵观支架整体形貌，可见加工粗糙，焊缝明显，随处可见刀痕和坑洼，说明整体加工质量欠佳。由图1中支架的结构和断裂部位可看出，断裂发生于横竖钢板的拐角处，此处原本就属于结构设计的薄弱环节，本应有用于减小应力集中的圆弧过渡区域，但却出现了明显的加工台阶，如此明显的机械加工缺陷无疑会造成应力集中区域，为裂纹的萌生和扩展打开了通道。

从支架的整体加工工艺看，热轧钢板使用前并未做正火处理，也未进行相应理化检测试验，造成带有缺陷组织的原材料直接转入下一道工序。另外，支架钢板焊接之后也未做退火或正火处理，将不可避免地造成焊接残余应力的存在，在一定程度上加快了支架的脆性断裂进程。