泵车副梁断裂原因分析

质量控制与失效分析

泵车副梁断裂原因分析

曾全胜,陈立东

(长沙航空职业技术学院,长沙410014)

隋　然(湖南出入境检验检疫局,长沙410007)

摘　要:通过外观检验、宏观断口检验、材料的化学成分与力学性能检验,并从理论和实践上用

反证法对可能导致副梁断裂的因素进行逐一筛查,得出的结论是:冶金学缺口的存在相当于裂纹

源,其与焊接拘束应力较大是导致副梁断裂的两个关键因素。提出了相应的改进建议。

关键词:副梁;断裂;原因;冶金学缺口;焊接拘束应力

中图分类号:TG142.41　　　文献标识码:A　　　文章编号:100124012(2005)0820415202

FRACTUREANALYSISOFSECONDARYBEAMFORCONCRETEPUMPTRUCK

ZENGQuan2sheng,CHENGLi2dong

(ChangshaAeronauticalVocationalAndTechnicalCollege,Changsha410014,China)

SUIRan

(HunanEntry2ExitInspectionandQuarantineBureau,Changsha410007,China)

Abstract:Possiblecrackingfactorsareruledoutonebyonewithmethodofdisproofafterinspectionand

testingofappearance,macrofracture,chemicalcompositionandmechanicalproperty.Theconclusionisdrawnthatthemetallurgynotchisthekeyfactorofcracksourceandrestrainedweldingstressbeinglarger.Atthesametime,suggestionsareproposed.

Keywords:Secondarybeam;Fracture;Cause;Metallurgynotch;Restrainedweldingstress

1　情况简介

泵车调试后,发现副梁悬空部分上工作面靠近

支点的输送管支撑筋板端头焊趾处横向断裂,见图1。副梁为20钢矩形无缝管,每侧有6对加强板将

副梁与底盘主梁连接在一起。每对加强板焊在同一块具有46个螺栓孔的连接板上,先把加强板全部用螺栓紧固在底盘主梁上,然后全部点焊定位在副梁上,最后焊接在副梁上。焊接材料为高强度焊丝(牌号为G3CrNi1Mo,C/SFA25.282ER100S2G),均为超强匹配。

图1　副梁断裂位置示意图(mm)

g.1　Sketchofcrackingpositionofsecondarybeam

2　理化检验

2.1　外观检验

隙上下基本等宽,断裂附近的副梁及零部件均无宏

观塑性变形,也无任何机械损伤。断口位于副梁上工作面上输送管支撑筋板端头焊趾处,该焊趾处无咬边,见图2。2.2　宏、微观断口检验呈脆性断口,人字纹和放射线的收敛方向指向筋板端头焊趾,开裂走向围绕此焊趾呈弧形,越过此端头焊趾后,走向大体垂直副梁钢管的轴向,即横向断口。焊趾处断口无宏观塑性变形(见图3),在扫描电镜下呈解理断口,见图4。

・415・

整管断裂,断裂后约有1mm多的缝隙透光,缝

收稿日期:2004208209

作者简介:曾全胜(1973-),男,讲师。

理化检验-物理分册曾全胜等:泵车副梁断裂原因分析

图2　副梁断裂形貌

Fig.2　Fractureappearanceofsecondarybeam

图5　焊趾处显微组织　100×

4%硝酸酒精溶液侵蚀Fig.5　Microstructureattoe

Etchedtwith4%nitrixacidandalcoholliquoralcohol

表1　泵车副梁的化学成分

Tab.1　Chemicalcompositionofsecondarybeam

%

项目标准值[1]实测值

图3　副梁的宏观断口形貌

Fig.3　Fracturemacro2appearanceofsecondarybeam

C0.18～0.240.22

Si0.17～0.370.25

Mn0.35～0.650.45

PS

≤0.035≤0.035

0.015

0.011

表2　泵车副梁的力学性能

Tab.2　Mechanicalpropertyofsecondarybeam

项目

GB/T3094-1982

屈服强度

/MPa抗拉强度

/MPa断后伸长率

(%)

≥245

285

≥392

495

≥20

22

实测值

图4　微观断口　2000×

Fig.4　Microfracture(SEM)

2.3　焊趾处显微组织

图5为焊趾处的显微组织,图中左边为焊缝区,

铁素体与珠光体呈胞状树枝晶结晶形态。右边为母材过热区,晶粒和魏氏组织粗大。焊缝区与母材金属过热区交界为熔合区。2.4　材质检验

副梁的化学成分(质量分数)和力学性能分别列于表1和表2。

3　分析讨论

(1)泵车副梁所用材质为20钢矩形无缝管,从

空和收拢臂架过程中都采用液压系统驱动,因此在

运作过程中不存在对副梁造成冲击力。该钢管经过热轧、冷拨多道次的压力加工,其致密度、晶粒度、显微组织和力学性能都远较焊接熔合区和粗晶区为好,即使存在组织不均匀,也好于焊趾处。再有,化学成分若有偏析(如碳、硫和磷)也是沿管子的纵向分布,不影响其纵向力学性能;而出现的横向脆断开裂,其裂纹源在焊趾表面并沿焊趾走向的延伸呈弧形状。显而易见,副梁横向脆断与材质无关,应与焊接因素有关。

(2)从宏观断口看,人字纹顶端和放射线收敛方向都指向焊趾处,即裂纹源是焊趾。焊趾位于熔合区和粗晶区部位,熔合区不仅晶粒粗大,而且与基体材料之间存在未完全混合状态。对于低碳钢和低合金钢而言,晶粒度(晶粒直径d,mm)与韧2脆转变温度Tc(K)有Tc∝lnd-1/2关系,晶粒粗大,将导致低碳钢的韧2脆转变温度过高,甚至比室温还

(下转第420页)

理化检验结果来看,材质符合技术要求。泵车在悬

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理化检验-物理分册

后高温缓冷时从高碳偏析区析出带状碳化物的同时,也在其中沿锻后原始粗大的奥氏体晶界析出网状碳化物,这种网状碳化物很粗大,以(Fe,Cr)3C型合金渗碳体为主,其加热溶解温度约950℃,还有部分(Fe,Cr)7C3型复杂合金碳化物,其完全固溶的温

[1]

度大约1050℃。

在辊坯心部碳含量正常的区域,锻后高温缓冷

邵奎祥等:大型支承辊置裂原因分析

力必须大于静载疲劳极限[3],支承辊辊身进行差温热处理后,其辊身心部的内应力较高,虽经500℃左右的最终回火处理,但也只能消除其部分应力。大截面轴类锻件热处理后的内应力是以热应力为主[4],热应力的存在形式是以轴向应力为最大的三向拉应力[2],在内应力的作用下,使位错在辊身心部构成亚显微裂纹。内应力使亚显微裂纹的尖端形成三向拉应力的应力场,促使自固溶体脱溶的氢原子向应力场扩散、聚集,使钢的脆性增加,同时形成微裂纹并由此扩展,最终造成支承辊脆断。

时不析出网状碳化物或析出极少,在随后一系列的热处理过程中能够消除,而在高碳的带状碳化物中析出的网状碳化物则不能充分消除而残留下来,同时通过它也将带状碳化物中锻后原始粗大的奥氏体晶界保留下来,验证试验结果证实了这一点。由于在带状碳化物区域内碳含量较高,氢的溶解度相对较大,其氢含量也相对较高[1]。在杂质元素偏聚的带状碳化物中残留有锻后原始粗大的奥氏体晶界及分布其上的网状碳化物,其晶界强度必然很低,氢、磷及其它杂质元素也逐渐在此晶界处偏聚。在裂纹萌生前的孕育期间,有粗大晶界逐渐弱化的过程。上述薄弱环节的存在,相当于增加了氢当量,致使辊身心部的氢以相对较少的含量及表层很少量残余奥氏体的分解,即可在辊身心部内应力的联合作用下造成支承辊置裂。

支承辊置裂属于滞后断裂,除辊身心部有薄弱环节以外,还需有足够的拉应力,即辊身心部的内应

(上接第416页)

4　结论

辊身心部较高的内应力和在带状碳化物中存在严重的网状碳化物是造成大型支承辊置裂的主要原因。参考文献:

[1]　康大韬,叶国斌主编.大型锻件材料及热处理[M].北

京:龙门书局,1998.225,73,467-468,95.

[2]　崔约贤,王长利.金属断口分析[M].哈尔滨:哈尔滨

工业大学出版社,1998.227-228.

[3]　蔡泽高.金属磨损与断裂[M].上海:上海交通大学出

版社,1985.362.

[4]　陈立人.50钢被动轴断裂分析[J].理化检验2物理分

册,1998,34(3):36.

高[2],所以产生解理脆断(见图4);成分局部分布不均

匀,熔合区两侧组织也极不相同(见图5),易引起应力集中,即所谓的冶金学缺口(又称金属学缺口)。所以,尽管没有咬边,焊趾仍然可以成为裂纹源。

(3)存在拉应力场。该拉应力场由内应力和外载荷组成,内应力又由支撑架筋板端头热影响区的拉应力型热应力和焊接拘束应力组成;副梁悬空部分相当于悬壁梁,其弯曲应力,无论是悬空部分的自重还是由于第一节壁架油缸伸缩行程过长导致收拢后加在悬壁梁上的压力,都是外载荷。

由于连接板上的46根螺栓相互制约,六块连接板共有近30根螺栓,可动位移量几乎为零,起不到松弛应力的作用,同时又与副梁刚性固定在一起,断裂后不可能形成上下基本等宽的1mm多宽的间隙。而现场留下的这1mm多等宽的间隙,表明了焊接后即已存在了较大的弹性伸长变形,脆裂后弹性变形消失而留下较大间隙。由此可见,焊接拘束应力很大。

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4　结论与建议

(1)20钢塑韧性很好、又无咬边和机械伤痕且

有螺栓连接,之所以会产生脆断是因为具备了缺口(冶金学缺口)、拉应力场和局部处于脆性转变温度区这三个因素的结果。

(2)由于脆断时的断裂应力小于屈服强度,有焊缝就必有焊趾,因此焊接拘束应力就起了举足轻重的作用。由此,也不能排除在安装转塔之前就在焊趾处产生了微裂纹的可能性,加上较高的焊接拘束应力,造成了副梁的脆性断裂。

(3)建议采取降低焊接拘束应力或增加去应力处理等方法,同时螺栓连接尽可能设置在拘束应力大的部位。参考文献:

[1]　GB/T3094-1982,冷拔无缝异型钢管[S].

[2]　霍立兴编著.焊接结构工程强度[M].北京:机械工业

出版社,1995.41.