吊环螺钉断裂失效分析

2021-03-27

起重运输机械 2021年3期

江苏省特种设备安全监督检验研究院宿迁 223800

0 引言

吊环螺钉作为紧固类零件广泛应用于工业生产中，其主要作用是固定于被起吊物上，便于起重设备挂钩[1]。吊环螺钉的使用给生产带来了极大便捷，若在使用过程中发生断裂，将带来极大危险。某压铸件厂在模具的拆卸过程中发生了吊环螺钉断裂事故，本文对断裂的吊环螺钉进行了分析，以查明其断裂原因。

1 宏观分析

如图1所示，断裂位置发生在螺钉从根部向外的3个螺牙，断裂面与螺钉纵轴约成45 夹角。吊环的环部侧面存在明显压痕，其双吊点的另一吊环螺钉对称位置同样有类似压痕。由此可知，吊环工作所受拉力非竖直方向，而是与竖直方向成一角度。

图1 断裂面及压痕

图2为吊环螺钉根部，其粗糙度及结构形式均不符合GB/T 825—1988《吊环螺钉》中的要求。螺钉根部粗糙度过大，易造成应力集中。

图2 吊环螺钉根部

如图3a所示为断裂面，A点为起裂点，裂纹沿典型的放射线扩展，在B区域形成瞬断区，螺钉发生完全断裂。在B点断裂前，裂纹沿与轴向约45 的斜面扩展，部分螺牙根部出现裂纹，如图3b所示。

图3 断口整体形貌

断口附近无明显的塑性变形，在断口根部可以观察到呈圈状的加工刀痕。从断口形貌观察可知，该断口为典型的疲劳断口，断口平整，表面光滑，分为3个区域：疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区，扩展区所占断口面积较大。

2 理化性能分析

2.1 金相检验

在样品的断口附近以及未发生断裂的部位进行取样，对其进行非金属夹杂物、金相组织及晶粒度检测。

2.1.1 非金属夹杂物

根据形态以及分布，钢材中的非金属夹杂物可分A、B、C、D及DS为五大类[2]。其中A类代表硫化物类，B类代表氧化铝类，C类代表硅酸盐类，D类代表球状氧化物类，DS类代表单颗粒球状类。

如图4所示，对样本放大100倍，对其进行非金属夹杂物含量测定，可发现样本的非金属夹杂物较严重，其中D类（球状氧化物）较为严重。金属中的非金属夹杂物会对其机械性能产生影响，一定程度降低了疲劳特性、抗冲击韧性及耐腐蚀性[3]。

图4 非金属夹杂及评级

2.1.2 晶粒度

晶粒度是表示晶粒大小的尺度。金属的晶粒大小对金属的许多性能有较大影响。晶粒度的影响，实质是晶界面积大小的影响。晶粒越细小则晶界面积越大，对性能的影响也越大。对于金属的力学性能而言，一般是晶粒越细小，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好[4]。

如图5所示，将样本放大200倍，对其进行晶粒度分析可得，样本平均晶粒度为5.5级[5]，GB/T 825—1988《吊环螺钉》中对规定吊环螺钉成品的晶粒度不应低于5级，样本符合该标准的要求。

图5 晶粒度

2.1.3 晶粒的均布

图6a、图6b为断裂螺钉不同部位取样得到的样本晶相图。图6a中铁素体+珠光体组织呈等轴分布，而图6b则为压扁状的铁素体+珠光体组织，晶粒分布明显不均匀。导致晶粒不均匀的原因推测可能是锻造工艺不合理，锻造过程各部位变形程度达到临界变形区导致晶粒粗大，对螺钉的持久性能及抗疲劳性有一定影响。

图6 晶粒的均布

2.2 化学成分分析

采用直读光谱仪对螺钉进行化学成分分析，结果见表1。断裂的螺钉上标记的材料为20号钢，分析结果见表1，断口表面的材料成分符合标准中关于20号钢的要求[6]。

表1 断裂螺钉的化学成分分析结果（质量分数） %

2.3 硬度测量

对螺钉断面进行硬度测试，如图7所示，螺牙芯部（D位置）硬度值约为220HV1，远离螺牙区域（E位置）硬度值约为185HV1。导致D位置的硬度高于E位置的原因是螺纹区域脱碳现象明显，导致铁素体含量升高，强度降低。在使用过程中，低强度的螺牙在外力挤压下，铁素体和珠光体组织被压扁，产生加工硬化效果，导致硬度上升，如图8所示。一般情况下，加工硬化可一定程度上提高耐磨性和疲劳强度，但同时又常伴随大量细微裂纹的出现，零件的抗冲击能力降低。