20钢吊环螺钉断裂分析

王建奇　李海霞　王梅英　张小伍

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江150046)



20钢吊环螺钉断裂分析

王建奇李海霞王梅英张小伍

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江150046)

通过对20钢吊环螺钉的宏观检查、化学成分、金相显微组织、断口形貌以及断口微区成分等进行分析，确定了吊环螺钉的断裂原因。结果表明：吊环螺钉断裂的性质为脆性断裂，吊环螺钉装卡不当、螺纹处加工质量不高以及材质上的不足是吊环螺钉断裂的主要原因。

20钢；吊环螺栓；断裂

20钢属于优质低碳碳素钢，其强度低，韧性、塑性和焊接性均好，广泛应用于各种重要的结构零件[1]。吊环螺栓简称吊环，属于吊钩的一种，是起重机械中常用的一种吊具，但吊环选材不当或加工质量不好时可能会造成吊环破坏，引起吊物坠落，带来严重后果[2]。2012年7月，某电厂机组安装过程中，在现场吊装隔板套时，吊环螺钉发生断裂，规格为M42，吊环螺钉螺纹部分长80mm(未见退刀槽)。为了查明吊环螺钉的断裂原因，对断裂失效件进行了检验和分析，断裂吊环螺钉形貌见图1。

1　理化检验

1.1化学成分分析

20钢吊环螺钉的化学成分分析结果见表1。由表1可见，吊环螺钉的化学成分符合GB/T699—1999的要求。

图1　断裂吊环螺钉形貌Figure 1　The fracture appearance of lifting eye bolt

1.2力学性能

对20钢吊环螺钉进行室温力学性能测试，测试结果见表2，发现吊环螺钉屈服强度不符合GB/T699—1999中的规定值。

1.3金相检验

在吊环断口处截取纵向试样，抛光后在光学显微镜下观察金相照片，见图2。从图2可见，20钢吊环螺钉的金相检验结果符合GB/T825—1988中的技术要求，但吊环螺钉纯净度不高，存在较多夹杂物[3]。

表1　吊环螺钉的化学成分(质量分数，%)Table 1　Chemical composition oflifting eye bolt (mass fraction, %)

表2　吊环螺钉的力学性能试验结果Table 2　The results of mechanicalproperty test of lifting eye bolt

图2　吊环螺钉金相组织Figure 2　The metallographic structure of lifting eye bolt

(a) 吊环螺钉断裂位置

(b) 吊环螺钉断口宏观形貌图3　吊环螺钉断裂位置和断口宏观形貌Figure 3　The fracture position andmacroscopic appearance of lifting eye bolt

1.4粗糙度检查

对20钢吊环螺钉螺纹部分粗糙度进行检查，检查后发现吊环螺栓螺纹加工较为粗糙，牙侧有很多加工刀痕，吊环螺纹部分粗糙度为12.5μm，不符合GB825—1988中粗糙度为6.3μm的规定。

2　断口分析

2.1断口宏观分析

吊环螺钉断口宏观形貌如图3所示。断裂位置距端部为50mm，断面较为平坦，断口较为新鲜，呈银灰色，有白亮色小刻面，断口从吊环螺钉螺纹牙底起裂，有明显的发散棱线，没有明显的塑性变形。

2.2断口微观形貌分析

在SUPRATM55扫描电子显微镜下观察吊环螺钉断面微观形貌，用QUANTAX200能谱分析仪对断面进行X-ray微区成分分析。断面微观形貌见图4。能谱分析测试图见图5。测试结果见表3。吊环螺钉断口都为解理断口，典型的脆性断裂，断面上有夹杂物存在。

3　分析与讨论

(1)从吊环螺钉的断口分析来看，吊环螺钉为脆性断裂，螺纹牙底有加工刀痕，牙侧加工很粗糙，不符合GB825—1988中粗糙度规定，这就增加了螺纹处的应力集中效应[4]。

(2)从吊环螺钉的断裂位置来看，吊环螺钉断裂剩余螺纹部分约30mm，断裂位置为吊环螺钉螺纹旋进隔板套螺孔的边缘位置，起吊隔板套时会增加吊环螺钉螺纹旋紧隔板套螺孔的边缘位置的受力。

(a)断口源区形貌

(b)断口微观形貌图4　断口源区形貌和微观形貌Figure 4　The macroscopic appearance andmicroscopic appearance of fracture

图5　断口夹杂物能谱测试图Figure 5　The energy spectrum of fracture inclusion表3　断口夹杂区能谱测试结果(质量分数，%)Table 3　The tested results of energy spectrum offracture inclusion area(mass fraction, %)

FeOCMnSSiCaS18.434.736.2952.8316.071.120.5416.07

(3)从吊环螺钉的材质检验来看，吊环螺钉的屈服强度低于标准要求，金相检验及能谱测试可见吊环螺钉钢存在大量的夹杂物，这些因素都降低了吊环螺钉的承载能力。

(4)吊环螺钉起吊隔板套时，吊环螺钉螺纹旋紧隔板套螺孔的边缘位置受冲击载荷的作用，再加上螺纹处的应力集中效应及材质的不足，使吊环螺钉工作时发生脆性断裂。

4　结论

(1)吊环螺钉装卡不当、螺纹处加工质量不高以及材质不足是吊环螺钉断裂的主要原因。

(2)建议吊环螺钉的装卡要靠近螺纹末端，提高吊环螺钉加工质量和严把材质检验关。

[1]吴承建，陈国良，强文江，等．金属材料学[M]．北京：冶金工业出版社，2009．

[2]李培芬，宾远红. 45钢吊环断裂失效分析[J].理化检验-物理分册，2012，48(10):701.

[3]李炯辉，林德成．金属材料金相图谱[M]．北京：机械工业出版社, 2006 .

[4]严春莲，温娟，刘晓岚，等．吐丝机螺栓断裂的失效分析[J]．理化检验-物理分册，2008，44(6)：316-318.

编辑杜青泉

FractureAnalysisof20SteelLiftingEyeBolt

WangJianqi,LiHaixia,WangMeiying,ZhangXiaowu

Byanalyzingthemacroscopictest,chemicalcomposition,metallographicstructure,fractureappearanceandmicro-areacompositionoffracture,thefracturereasonofliftingeyebolthasbeendetermined.Theresultsshowthatthepropertyoffactureforliftingeyeboltisthebrittlefracture.Meanwhile,themainreasonoffractureisduetotheincorrectassemblingofliftingeyebolt,thepoormachiningqualityofscrewthread,andtheshortageofmaterial.

20steel;liftingeyebolt;fracture

2016—03—22

TG115B