齿条断裂原因分析.pdf

2010年 5月 第 5卷 第 2期 失效分析与预防 M ay 2010 Vo l 5 No 2 收稿日期 2010年 1月 4日 修订日期 2010年 3月 25日 作者简介 卢书媛 1980年 女 博士 工程师 主要从事金属材料检测及机械零件失效分析方面的研究 齿条断裂原因分析 卢书媛 王卫忠 顾 伟 许玉宇 易海清 钱 伟 常熟出入境检验检疫局 常熟 215500 摘 要 某升降机齿条在搬运过程中摔断 齿条材料为 60钢 对齿条断口 材质的金相组织 化学成分和力学性能进行分 析 确定齿条断裂失效的原因 结果表明 齿条的断裂性质为冲击载荷所致的脆性断裂 由于正火加热和冷却方式不当 造 成齿条的晶粒粗大且铁素体呈网状分布 齿条化学成分中 Si M n元素含量超出标准要求范围 S P 元素处于标准规定值上 限 材料中存在较多的非金属夹杂物 以上几个因素共同作用 导致齿条发生断裂 关键词 齿条 脆性断裂 热处理工艺 非金属夹杂物 中图分类号 TH211 6 文献标志码 A do i 10 3969 j issn 1673 6214 2010 02 008 文章编号 1673 6214 2010 02 0094 04 Failure Analysis of Broken Rack LU Shu yuan WANG Wei zhong GUW e i XU Yu yu YIH ai qing QI ANW ei Changshu Entry exit Inspection and Quarantine Bureau Changshu 215500 China Abstract The rack used in a lifter broke during the transportation process The failure mode and cause of the rack were investi gated by fracture surface exa m ination metallographic analysis che m ical co mposition and mechanical property analysis The re sults sho w that the fracturemode of the rack is brittle fracture due to i mpact load Larger grain size and reticulate ferrite structure due to i mproper heat treat ment are the main causes for the fracture Unqualified chem ical co mposition and excessive inclusions are also i mportant causes for the facture of the rack Keywords rack brittle fracture heat treatment non metallic inclusion 0 引言 工程材料与结构的失效 尤其是大型设备中 材料与结构的失效往往会造成巨大的经济损失甚 至是人员伤亡 通过对材料与结构的失效分析研 究可达到预测 预防产品失效的目的 1 大型升 降机齿条是升降机中的关键部件 对于升降机的 安全使用具有重要的意义 升降机齿条一般采用 高碳优质碳素结构钢或低合金钢制造 其最终热 处理状态为正火后低温回火 其显微组织为珠光 体 铁素体 在该组织状态下材质具有较高的强 度 同时具有较好的塑性和抗冲击性能 2 3 齿条 显微组织状态对齿条性能具有重要的影响 因 此 分析与预防因显微组织不合格而导致的构件 故障 具有重要的工程意义 某升降机齿条在搬运过程中摔断 齿条材料 为 60钢 其最终热处理状态为正火后低温回火 对断裂齿条断口进行微观观察和能谱分析 对比 分析齿条金相组织 并对其化学成分和力学性能 进行分析 查找其断裂失效的原因 1 试验过程与结果 1 1 断口分析 齿条断裂位于齿根部 其断裂示意图见图 1 图 1 齿条断裂示意图 F ig 1 Schematic diagram of the broken rack 将断口置于乙醇溶液中 经超声波清洗后置 于日立 S 570扫描电子显微镜中进行观察 断 口微观形貌为河流花样 即典型的解理断裂特征 第 2期卢书媛 王卫忠 顾 伟 等 齿条断裂原因分析 图 2 在断口上发现有多处夹杂物 对不同部 位的夹杂物进行能谱分析 结果表明夹杂物为不 同类型的氧化物 夹杂物形貌及能谱检测结果见 图 3 图 4 1 2 金相分析 在齿条断裂位置附近平行于断口截取金相试 样 磨抛后采用 4 体积分数 硝酸酒精溶液腐 蚀 在 Axiovert 200 MAT光学金相显微镜下观察 齿条材质显微组织为珠光体 铁素体 铁素 体沿晶界呈网状分布 晶粒粗大 图 5 齿条材 质的非金属夹杂物形貌见图 6 可见存在大量的 夹杂物 按照 GB T 10561 2005对齿条夹杂物 进行评级 结果表明 齿条非金属夹杂物主要以 图 2 断裂齿条断口解理断裂形貌 Fig 2 C leavage fracture feature of the fractured surface of the broken rack 弥散分布的小圆球形氧化物夹杂和硫化物夹杂的 形式存在 氧化物夹杂和硫化物夹杂评级分别为 3 0级和 1 5级 完好齿条的材质显微组织也为珠光体 网状 分布的铁素体 晶间铁素体较断裂齿条更为严重 但是晶粒相对较小 图 7 1 3 化学成分分析 对断裂齿条材质进行化学成分分析 结果见 表 1 根据 GB T 699 1999对 60钢的化学成分 要求 断裂齿条材质化学成分中 Si Mn元素含量 均超过标准要求值的上限 S P 元素含量也接近 上限值 95 失效分析与预防第 5卷 表 1 断裂齿条材质化学成分分析结果 质量分数 Table 1 Che m ical co mposition analysis results of the broken rack mass fraction Ele mentContentGB T 699 1999 C0 5700 57 0 65 S0 033 0 035 Si0 4100 17 0 37 Mn0 8800 50 0 80 P0 029 0 035 图 7 完好齿条材质显微组织 F ig 7 M icrostructure of a nor mal rack 1 4 力学性能检测 在断裂齿条上截取 拉伸试样 根据 GB T 228 2002进行力学性能检测 结果表明 断裂 齿条的抗拉强度和屈服强度远高于标准要求 而 断后伸长率略低于标准要求 表 2 断裂齿条力学性能分析结果 Table 2 M echanicalproperty testing results of the broken rack ItemTesting resultsGB T 699 1999 b MPa 950 675 0 2 MPa545 400 11 5 12 2 分析与讨论 断裂齿条的断口观察分析结果表明 断口微 观形貌为河流花样 即典型的解理断裂特征 4 而齿条是在搬运过程中摔断的 因此 齿条的断 裂性质为冲击载荷所致的脆性断裂 根据试验结 果 得出齿条断裂与以下因素有关 1 组织状态 96 第 2期卢书媛 王卫忠 顾 伟 等 齿条断裂原因分析 断裂齿条的显微组织由珠光体和铁素体组 成 属典型的正火组织 但铁素体呈网状分布 由 于铁素体的硬度 强度均较低 这种组织属不良组 织缺陷 网状铁素体的存在会显著弱化晶界强 度 从热处理工艺角度看 形成网状铁素体的主 要原因是齿条加热和冷却方式不当 正火加热温 度过高 出现了粗大的奥氏体晶粒 后序冷却过程 中又采用了较快的冷却方式 从而导致先共析铁 素体沿奥氏体晶界呈网状析出 5 断裂齿条与 完好齿条相比 铁素体也明显呈网状分布 但前者 的晶粒更粗大 由此可见 正火加热和冷却方式 不当 造成齿条的晶粒粗大并且铁素体呈网状分 布 是齿条断裂的因素之一 2 化学成分 由化学成分分析结果可知 断裂齿条材质化 学成分中 Si Mn元素含量超出标准要求 在钢 材中 Si Mn元素有助于提高钢材的强度 若含量 过高 在提高材料强度的同时 也会牺牲材料的塑 性 这是导致断裂齿条的抗拉强度远高于标准要 求 而断后伸长率低于标准要求的主要原因 材 料强度偏高而塑性降低 使材料的脆性增加 在冲 击载荷作用下更易发生脆性断裂 另一方面 断 裂齿条中 S P元素的含量均处于标准规定值的 上限 S P元素为钢中的杂质元素 都将增加钢 的脆性 降低韧性 同时 P元素还会造成元素偏 聚 6 可见 齿条材质化学成分中 Si Mn元素含量 偏高 S P元素处于标准规定值上限也是导致齿 条断裂的因素之一 3 夹杂物 金相组织检查表明 断裂齿条材质中存在较 多的非金属夹杂物 从夹杂物形貌以及断口能谱 分析结果可以看出 这些夹杂物主要以硫化物和 氧化物为主 硫化物夹杂塑性较好 而氧化物夹 杂则硬而脆 7 在齿条受力状态下 夹杂物尖端 将产生应力集中 且由于变形不一致 导致基体与 夹杂物界面首先开裂 夹杂物较多也是导致齿条 断后伸长率较低的重要原因之一 可见 夹杂物 较多是造成齿条断裂的又一因素 3 结论 1 齿条的断裂性质为冲击载荷所致的脆性 断裂 2 由于正火加热和冷却方式不当 造成齿条 的晶粒粗大并且铁素体呈网状分布 齿条化学成 分中 Si Mn元素含量超出标准要求 S P元素处 于标准规定值上限 齿条材料中存在较多的非金 属夹杂物 这几个因素共同作用 导致了齿条发生 断裂 3 通过改进齿条热处理工艺 严格控制材质 化学成分和非金属夹杂物 可有效预防此类故障 的发生 参考文献 1 刘高航 刘光明 工程材料与结构的失效及失效分析 J 失 效分析与预防 2006 1 1 6 9 2 刘昌奎 臧金鑫 张兵 30Cr M nSi A螺栓断裂原因分析 J 失 效分析与预防 2008 3 2 42 47 3 董世运 石长亮 徐滨士 等 重型汽车发动机曲轴断裂分析 J 失效分析与预防 2009 4 3 138 142 4 陶春虎 钟道培 王仁智 等 航空发动机装动部件的失效与 预防 M 北京 国防工业出版社 2002 5 林良有 张玉秀 朱张校 等 汽车下摆臂断裂失效分析 J 金属热处理 2004 29 12 77 79 6 胡赓祥 蔡珣 材料科学基础 M 上海 上海交通大学出版 社 2000 7 王笑天 金属材料学 M 北京