机械过载引起的损坏事故

张永友

摘 要：本文列举了生产中发生的8种产品破坏的事例，分析了它们各自失效的原因.归纳出它们的损坏有一个共同的特点，就是机械过载，即拉伸应力，剪切应力，扭转应力，弯曲应力等过载.

关键词：机械过载;拉伸应力;剪切应力;扭转应力;弯曲应力

1引言

机械过载是产品在使用过程中比较常见的一种现象.具体的表现方式有过载的拉伸，过载的弯曲，过载的扭转，高的交变压缩应力，高的交变剪切应力，以及强烈的摩擦等等.由于机械过载而导致的产品失效或损坏的事例很多，下面看一些实例。

2拉伸，弯曲，剪切及扭转过载

过载是在应力过高或者材料的强度过分降低时发生的.对于拥有了必要纯度的材料，要判断其是否满足规定的强度，是不难的.但是，要使材料能承受预期的载荷，而倒推材料该做成不大不小的尺寸，通常比较困难.做大了，浪费材料;做小了，零件承受不起工作的载荷。

某联接螺栓装夹工件时发生了颈缩现象，检查原因：该螺栓化学成分符合标准，金相组织是均匀的调质组织，螺栓的抗拉强度为930兆帕，也符合标准.只所以出现拉伸过度即颈缩的原因，是因为螺栓拧的过紧，即拉伸应力过大.超过了屈服强度，螺栓过载而大量伸长及颈缩。

某塔吊上的螺栓，失效方式与上例不同.已经破坏的螺栓，在第一圈螺纹部分，由于剪切力的作用，在垂直轴线的方向上偏离了原来的位置，观察其破坏面，是通过纵断面的韧性断裂，分析其金相组织，是均匀的细晶粒，没有组织缺陷，所以是过度的剪切应力导致了该螺栓的破坏。

某大吨位的矿山运输车，启动时冲击载荷过大，使得变速箱里的齿轮产生了裂纹，虽然齿轮渗碳及其淬火都符合要求，渗碳层深度有1个毫米，但是齿两侧的齿根部分还是有多处产生了疲劳裂纹，甚至有两处的齿都断掉了.齿轮心部的硬度约为1400兆帕，偏高，降低了冲击韧性，对于过载的冲击载荷，造成变速箱齿轮的提前损坏。

下面是一个比较复杂的事例.某石油钻井装置中发生了破坏.该装置中有一个起吊杆，长3600米，在进行起吊操作时其下端的连接管接头发生了损坏.进行力学分析发现，该杆在工作状态下，承受拉伸应力，扭转应力，弯曲应力的综合作用.总体载荷大，且频繁作用，导致了裂纹的产生及扩展.具体分析是，起吊杆在起吊的过程中，受到偏大的拉伸载荷，使得杆下部的连接管接头产生了初期裂纹;之后，起吊杆抱紧与其相配的钻杆，会受到扭转力矩，造成初期裂纹发展成裂缝.对已经破坏的连接管接头进行分析和检查，连接管接头的材料是中合金钢三六铬镍钼四，毛坯是无缝钢管，进行了调质，抗拉强度约为1100兆帕.破坏从装在接头中的衬套的螺纹部和圆柱部之间呈锐角环形发生.判断最初的破坏是冲击性剪切载荷引起的.最终破坏却是另外一种现象.裂纹扩展成与纤维方向垂直，而且围绕中心轴呈螺旋状延伸.破坏的衬套残留部分，照原样套在连接管接头的螺纹部分中，这说明：起吊杆抱紧与其相配的钻杆时，扭转应力造成了裂纹的扩展.衬套的成分，组织及其韧性都符合标准，这种情况下的破坏，明显是过载的缘故.为了增加衬套的承载能力，希望衬套具有合理的纤维组织，所以，衬套的毛坯，最好不用无缝钢管，而应在机械加工之前，锻造出毛坯.锻件内部纤维组织保持连续，具有更高的承载能力。

也有的破坏发生在温度比较高的时候.某蒸汽锅炉，在切线方向上，受到拉应力，超过了其本身的高温强度，就在管子的全长上出现裂纹.此时，温度往往会明显地超过规定值，但导致这一现象发生的原因，并不止一个.可能有多个原因.究竟是水的中断，还是蒸气流的中断，还是由于给水生成的水垢的绝热，还有待进一步的研究。

某耐热钢十五钼三，制成的过热器管发生裂纹破坏.观察其横断面组织，未加热部分的组织是铁素体和细小的珠光体，是正常组织，在发生裂纹附近区域的组织，珠光体显著球化了，并且，在铁素体晶粒内，还析出了聚集起来的钼的碳化物.在裂缝的边缘，一部分珠光体转变成了马氏体.这个现象表明，温度超过了临界点，比合理温度超过两百度以上.在这个温度下，该耐热钢的蠕变强度极低.因此发生了裂纹而破坏。

还有一个由于明显过热，所加载荷超过了材料的高温强度，引起了破坏事故的事例.某高炉的热风炉，使用一年半之后进行检查，燃烧室完好.又使用三个月，燃烧室破坏而变得粉碎.以前平整的喷嘴，现在变得凸凹不平，并且上附大量的鳞片.检查喷嘴的钢材化学成分，是规定的铸钢，该钢具有很好的耐热性，高温强度也很高，所以，这个喷嘴，在最后的三个月发生了破坏，是异常的.从喷嘴的嘴部取样，进行金相观察，发现喷嘴鳞片下方有许多空穴，碳的浓度也有增加.为探查许多空穴及碳浓度增加的原因，另外做了一个退火试验，得到同样的结果，是在1200度以上的温度，加热两小时后开始出现的.根据这个试验可知，最后的几个月，由于燃烧室火焰倒流，喷嘴的嘴部，经常被加热到1200度以上，超过了正常值（1100度），使得所加载荷超过了材料的高温强度（此时喷嘴的高温强度已经下降），导致了燃烧室的破坏。

下面是剪切应力造成损坏的事例.某四五铬镍钼合金钢制造的锻造模具，从型腔底部为起点发生了裂纹，锻工认为是材料缺陷或淬火缺陷.分析裂纹的成因，先是确定了材料化学成分符合规定，材料没有缺陷，再回过头来分析裂纹.裂纹从型腔底部发生，然后，不管是底部还是侧壁，都沿着约45度方向在材料中传播，这是典型的剪切应力裂纹的传播方式，完全可以与淬火裂纹区分开来，排除了淬火缺陷.另外，该锻造模具在制造过程中，型腔上端也产生裂纹，这个裂纹不再是剪切应力造成的，而是型腔上沿的周边拉伸应力引起的，该裂纹可以用奥氏体钢焊条进行焊接修补.最终的结论是，该模具的破坏，排除了其它的因素，完全是操作过程中，剪切应力过载引起了型腔底部裂纹。

3.结束语：

机器或者零件出现损坏或者失效，需要具體情况具体分析，从而找到避免或者解决的办法。