摘 要:某 Q345B钢鱼尾板锻件发生横向断裂,采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜分析、 力学性能测试、金相检验等方法对鱼尾板的断裂原因进行分析。结果表明:Q345B钢中存在较多且 较大的非金属夹杂物,导致鱼尾板锻件的冲击能量显著降低,严重影响了材料的韧性,当受到外力 撞击时鱼尾板发生脆性断裂。

关键词:鱼尾板锻件;非金属夹杂物;冲击能量;脆性断裂

中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)10-0058-03

塔式起重机(以下简称塔机)是机械、航空、航天 等制造业不可缺少的重要设备[1],随着我国各行业 基本建设事业的快速发展,对塔机的安全可靠性提 出了更高的要求。标准节是塔机中最关键的结构之 一,其安全 性 和 稳 定 性 关 系 到 整 个 塔 机 的 正 常 运 行[2]。鱼尾板作为标准节的连接部件,要求其具有 优良的力学性能和冲击韧性。

某塔机在拆装搬运时,其标准节上的鱼尾板发 生横向断裂。为了查明断裂原因,将断裂的鱼尾板 从标准节上切割下来,并对其进行理化检验。鱼尾 板为模锻成型,并进行了正火处理,材料为 Q345B 钢,鱼 尾 板 外 形 尺 寸 (长 × 宽 × 高)为 550mm× 150mm×30mm。

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂鱼尾板锻件的宏观形貌如图1所示,箭头 指示为断口。鱼尾板锻件整体未见到明显的宏观形 变,其沿横截面完全断裂,断口面外形规则。

鱼尾板断口横截面的宏观形貌如图2所示,断 面与板的轴向垂直,断口整体比较粗糙。断口上半 部分有明显的人字纹,人字纹的顶部指向左侧,说明 断裂是从左向右发展的;断口下部边缘有剪切边,说 明该处是最后断裂的部位。综合判断,断裂是从左 上角起始并向右、向下发展的。人字纹和剪切边都位于断口上,整个断口未见塑性变形,说明鱼尾板断 裂属于脆性断裂[3]。鱼尾板断口横截面左侧局部放 大的宏观形貌如图3所示,由图3可以观察到许多 闪点,此外断口上还可观察到一些小裂口,如图3中 箭头指示。

1.2 扫描电镜分析

采用扫描电镜(SEM)分析断口,断裂源处SEM 形貌如图4所示。由图4可知:断口较粗糙,无疲劳 断裂的特征,也未见有早期裂纹的痕迹;有小块区域 较其他部位平坦,是断裂后磕碰造成的。图4b)为 断口磕碰区和未磕碰区相邻处的局部放大图像,发 现其以解理断口和少量的沿晶断口为主,有些地方 断口有受压的痕迹,是鱼尾板受到磕碰的地方。

1.3 化学成分分析

在断裂的 Q345B钢鱼尾板上取样,采用直读光 谱仪对鱼 尾 板 的 材 料 进 行 化 学 成 分 分 析,结 果 如 表1所示。由表1可知,其化学成分中碳元素的质 量分数较标准 GB/T1591—2008《低合金高强度结 构钢》要求偏高。

1.4 力学性能测试

在鱼尾板锻件长度方向(纵向)截取拉伸试样, 将其加工成直径为8mm 的圆形截面试样,其拉伸 试验结果如表2所示。由表2可知:测试结果符合 GB/T1591—2018对厚度为16~35mm 的 Q345B 钢的要求。

在鱼尾板锻件长度方向(纵向)上截取冲击试 样,试样尺寸(长 × 宽 × 高)为 55 mm×10 mm× 10mm,V 型缺口深度为2mm,缺口的轴线垂直于 鱼尾板的上下表面。鱼尾板的试验温度和冲击吸收 能量如表3所示,由表3可知:鱼尾板的冲击吸收能 量明显低于 GB/T1591—2018相关要求,而且冲击 试样呈结晶状断口,颗粒粗大,断口基本没有发生塑 性变形,呈显著的脆性断裂特征[4]。

1.5 金相检验和能谱分析

在 Q345B钢鱼尾板上取样进行金相检验,结果 如图5~6所示,由图5~6可知:其组织为铁素体+ 珠光体,这是 Q345B钢的正常组织。检查试样的磨面时,发现有许多黑色区域,分析可知为夹杂物,其 最大尺寸可达约1mm(见图6)。

对夹杂物进行 X射线能谱分析,结果如图7所 示,由图7 可知:夹杂物主要以 Si,Al,Ca,Na,Mn 等元素为主,属于铝硅酸盐类夹杂物[5]。

2 综合分析

该鱼尾板的断口分析结果表明:鱼尾板断裂属 于瞬时脆性断裂,该鱼尾板断口的微观形貌为解理断口,对夹杂物进行 X 射线能谱分析,可知其属于 铝硅酸盐类夹杂物。这些夹杂物的存在显著降低了 钢的韧性,破坏了钢基体的均匀性和连续性,造成了 应力集中,促进了裂纹的产生,并加速了裂纹的扩 展[6-7],因此当受到外力冲击时鱼尾板发生了脆性 断裂。

3 结语

断裂鱼尾板的冲击吸收能量低于标准规定的最 小值,其断口的宏观形貌十分平坦,并呈现出解理断 口的微观特征,属于脆性断裂。钢中含有较多且较 大的非金属夹杂物,降低了鱼尾板的韧性。非金属 夹杂物是冲击吸收能量降低和脆性断裂发生的主要 原因。

建议加强对鱼尾板锻件的质量检验和监控,例 如进行超声波检测等[8],并按原材料验收标准对其 进行冲击性能的复检。

参考文献:

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[3] 孙智,江利,应 鹏 展.失 效 分 析:基 础 与 应 用[M].北 京:机械工业出版社,2005.

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[8] 边慧宇.Q345R钢板中夹杂物超声波检测实践[J].江 西冶金,2020,40(2):55-58.

<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 10期 (pp:58-60)>