吊车车轮失效分析

42 2009 年第 32 卷第 1 期 吊车车轮失效分析 赵 骏 （攀钢钢铁研究院） 摘 要： 通过化学、金相和电镜等理化检验手段，对发生瞬时开裂的吊车车轮进行了解剖分析。结果表明，车轮以疲劳方式失效，并确定设计强度不足、材料中夹杂物和空隙的密集分布、金属铅在晶界的偏聚以及热处理对材料的强化不足是导致车轮开裂的原因。 关键词： 吊车车轮；断口；裂纹；疲劳；晶界偏聚 0 引言 某厂一吊车主动轮仅使用 4 个月，便沿工艺孔开裂，断成三大块，险些造成人员伤亡事故。同类型的吊车仍在运行使用，为了查清车轮开裂的原因，以及对其他吊车进行安全评估，对开裂车轮进行了理化检验及失效原因分析。 开裂车轮采用双轮缘车轮设计，直径为 750 轮辐上有 4个均匀布置的 140 车轮材质采用 ，对应于 11352 1989标准中的 640 牌号 1，标准要求车轮踏面及轮缘经淬火以及回火热处理到硬度 380，淬硬层深度不小于 20 1 理化检验 宏观检验 检查开裂车轮发现，车轮沿径向断开，其中两个轮幅断口已被磨平，说明 吊车车轮 早就已经断裂。沿径向断开的两块车轮的拼合形貌见图 1（ a），其中一个断口的形态 见图 1（ b）。在图 1（ b）中断口上边缘为工艺孔，下边左右两边为轮缘，中间平直段为车轮踏面。观察发现，疲劳裂纹扩展区的面积很小，且断裂起源于工艺孔的边缘（孔壁），并且显示出多疲劳源断口形貌，见图 1（ c）。 （ a）断开的两块车轮的拼合形貌 （ b）吊车车轮断口外貌 （ c）图（ b）上部的放大 5 图 1 吊车车轮断口外貌及局部放大 用游标卡尺测量工艺孔断口区轮幅厚度及拼合的断裂车轮上工艺孔的直径，同时录入 6392 标准值 2。实测结果显示轮缘厚度不均匀，较厚的一边为 25 薄的一边为 18 艺孔实测直径达到 140 标准要求仅为 55 轮技术要求尺寸和实测值见表 1。 化学成分分析 在 吊车 车轮断口附近取样，用光谱分析其化学成分，同时录入 11352 1989 标准中 40 牌号铸钢 化学 成分，见表 2。由表 2 可见，断裂车轮 光谱分析结果满足 640 牌号要求。 表 1 车轮的技术要求尺寸和实测值 轮辐厚度 / 艺孔直径 / 轮 实测 值 38 140 6392 50 55 断裂源 攀 钢 技 术 43 表 2 吊车车轮的化学成分 C n P S 车轮实测值 40 牌号 断口微观检验 通过断裂源区（紧挨工艺孔之孔壁断口）切取试样，经扫描电镜（ 察发现，断裂源处存在疏松区（见图 2（ a）和密集的裂纹（见图 2（ b），能谱分析确定夹杂区主要为铅偏聚， 量高达37%） 。铅是低熔点金属（ ，在热处理温度下的汽化所产生的蒸汽压足以引起基材的疏松和热裂。 （ a） 断口面的疏松区 （ b）断口内部裂纹 图 2 断口面的疏松区和 断口内部裂纹 金相检验分析 在图 1（ c）所示的断口附近切取的试片，磨光后用热盐酸浸洗显示的低倍组织见图 3，在邻近断裂源部位显示密集的孔隙，见图 4。 在孔隙区制备的样品，在金相显微镜下观察发现沿晶的夹杂和孔隙，其附近区域（右边）有密集的夹杂区，见图 5。 图 3 车轮横断面的低倍组织 图 4 断裂源区局部放大，显示密集空隙 40 图 5 沿晶的夹杂和孔隙 用 2%硝酸酒精腐蚀后的试样，经金相显微镜观察发现，所有铸件的表面（非加工面）都有深浅不一的脱碳层，测定平均脱碳层为 1.5 轮内部组织为珠光体 +粗大的网状铁素体，说明车轮在淬火热处理时加热温度过高，且在高温区保温时间 太长。在 18 .1 图 6。可见 ,车轮没有达到设计要求的 20硬层深度，而踏面的淬火层在 4 个月使用期已经磨损 变形，说明淬火硬化层太浅，见图 7。 44 2009 年第 32 卷第 1 期 图 6 轮缘表面脱碳层下的混合组织 图 7 车轮踏面表面层组织 2 车轮失效原因分析 根据开裂车轮的断口外貌确定，该车轮属于疲劳断裂，且疲劳裂纹起源于工艺孔环向方向的孔壁。这就说明孔壁在环向方向存在局部应力 , 最高局部强度最低的疲劳裂纹形核条件。 经测量发现，轮辐厚度只有 38 低于 T 6392 1992 标准规定的 50 度，设计的支撑强度不足。另一方面，在薄的轮辐上均布的 4个 140 径工艺孔，其直径远大于标准中规定的 55 然过大直径的工艺孔进一步削弱了车轮的承载能力。当车轮承受来自车轴的压迫时，在相当于时钟 3 点和 9 点位置的大尺寸工艺孔会产生弹性失圆，此时工艺孔孔壁的环向方向拉应力最大，车轮的孔壁的表面状况特别是露头夹杂对该拉应力非常敏感。 在孔壁的材料中存在低熔点的金属铅的偏聚，当车轮热处理时，可能扩散到晶界形成晶界膜，再加上沿凝固晶界分布的夹杂的共同作用，会削弱所在区域的塑性和强度。在孔壁没有经热处理强化，并存在严重脱碳，使局部进一步削弱，当失圆与孔壁的冶金缺陷削弱的部位重合时，在反复应力作用下，会过早形核疲 劳裂纹。每一个被削弱的区域对应一个疲劳源，因此，显示出多源疲劳的断口特征。这些初始裂纹不仅是减小车轮的有效承载截面，而且在裂纹尖端产生更大的应力，或相当于宏观应力集中点。 因此，在不大的使用载荷条件下，小裂纹前缘区就能超过材料的强度而发生局部断裂。另外，基体组织粗大，使材料脆化，裂纹的扩展抗力不足，因此，疲劳区很小时整个车轮就发生了瞬时脆断。 3 结语 （ 1）吊车车轮是疲劳方式失效，疲劳裂纹起源于工艺孔内壁。车轮工艺孔尺寸过大，轮辐太薄，在设计上使得车轮支撑强度不足。 （ 2） 断裂车轮 光谱分析化学成分满足 640 牌号要求。 金相和电镜等理化检验表 层没有获得调质热处理的组织，脱碳层太深以及材料中存在严重的疏松、夹杂和铅的富集等都降低车轮表面强度，为疲劳裂纹形成提供了条件，多种综合作用造成车轮早期断裂。 参考文献 1 张丝雨 . 最新金属材料牌号