連鑄機叉形臂斷裂原因分析

吳文祥　李強　夏志偉　顏景林

【摘 要】通過斷口形貌分析、金相組織分析、力學性能及化學成分檢測等方法對一起連鑄機叉形臂斷裂事故原因進行了分析。結果發現，叉形臂在長期交變應力的作用下，在焊趾處形成了疲勞裂紋，疲勞裂紋在巨大沖擊性載荷作用下發生快速擴展，導致叉形臂發生瞬時沖擊斷裂。此外，鋼板中心存在分層缺陷和材質屈服強度偏低，降低了鋼板的抗疲勞能力和抗沖擊能力，加快了裂紋擴展。

【關鍵詞】疲勞裂紋 沖擊斷裂 焊趾 分層缺陷

【Abstract】A fracture accident of caster fork armwas analyzedby means ofthe morphology analysis of fracture， metallographic analysis， mechanical properties and chemical composition testing. The results show that the fatigue crack is formed on the surface at the weld toe under the effect of long-term alternating stress. The fatigue crack shows rapid expansion under huge impact load，resulting in instantaneous impact fracture of the fork arm. In addition， due to the layered defects in the center of the steel plate and the low yield strength of the material， the anti fatigue capability and the impact resistance of the steel plate are reduced， which accelerate the crack propagation.

【Key words】Fatigue crack； impact fracture； weld toe； layered defect

某鋼鐵企業發生一起連鑄機鋼水包叉形臂斷裂事故。事故發生時，板坯連鑄機鋼水包回轉臺在進行座包作業，座包完成后在板鉤脫掛鉤的過程中板鉤未能正常脫出，鋼水包的吊耳被板鉤的鉤頭吊起約200mm高度后，鋼水包滑脫落到回轉臺的叉形臂上，巨大的鋼水包下墜沖擊，導致叉形臂斷裂，鋼水包跌落到地面上。為查明叉形臂斷裂原因，對叉形臂斷裂件進行了綜合分析。

1 檢查結果

1.1 斷口檢查

圖1、圖2所示為叉形臂斷裂處的外觀形貌及斷口宏觀形貌?？梢钥闯?，斷裂部位兩側斷口的外觀形狀相似，兩側斷口上部鄰近上表面處均存在焊接痕跡，均有一小部分區域較平整，且該部位存在肉眼可見的疲勞輝紋，而其余大部分區域的斷口表面凹凸不平，且存在放射狀條紋。圖3所示為叉形臂斷口裂紋擴展區微觀形貌?？梢钥闯觯摬课粩嗫诖嬖诿黠@的解理臺階，具備典型的解理斷裂特征。由此可知，上部較平整的區域為疲勞區，而其余部位為裂紋快速擴展區，裂紋起源于叉形臂斷口上表面，并向下擴展。此外，從圖2還可以看出，斷口中心部位存在一條沿縱向分布的線狀缺陷。

1.2 化學成分檢查

對斷口附近區域鋼板材質進行化學成分檢測，檢測結果如表1所示。可以看出，叉形臂鋼板化學成分符合GB 6654-1996《壓力容器用鋼板》中對16MnR的成分要求。

1.3 力學性能檢查

對斷口附近區域鋼板進行拉伸性能和沖擊性能試驗。拉伸性能試驗結果表明，鋼板的抗拉強度、斷后伸長率符合GB 6654-1996《壓力容器用鋼板》中對16MnR的要求，但其屈服強度略低于標準要求（表2）。沖擊性能試驗結果表明，鋼板的沖擊吸收功為54J，符合GB 6654-1996《壓力容器用鋼板》中16MnR沖擊吸收功不小于31J的要求。

1.4 金相檢查

對斷口附近區域鋼板進行金相檢查，如圖4所示。鋼板顯微組織為鐵素體+珠光體的帶狀組織，未見異常。采用線切割方法，在裂紋起始部位，既垂直于斷口表面，又垂直于焊縫表面將斷口試樣切開，磨制橫截面金相試樣，以確定裂紋起始的確切位置，檢查結果如圖5所示?？梢钥闯觯鸭y起始于焊趾處，即裂紋起源位置位于焊接熔合區與未熔合區（熱影響區）的交界處。

1.5 低倍檢查

對鋼板取樣進行橫截面低倍組織缺陷檢查，發現鋼板中心部位存在分層現象，如圖6所示。這與圖2中所見的沿縱向分布的線狀缺陷相吻合。

2 分析與討論

斷口分析結果表明，叉形臂斷口明顯分為兩個區域：陳舊性開裂區和瞬時沖擊斷裂區。陳舊性開裂區位于叉形臂鋼板上表面，該區狹窄，斷口平齊，其前沿由幾個曲率半徑較大的弧形條紋構成，斷口表面存在明顯的宏觀疲勞條紋。分析認為，該陳舊性開裂區是叉形臂在頻繁的連鑄作業過程中在交變應力作用下發生的疲勞開裂。在焊接結構件上，焊趾為焊縫的應力集中區域，一些表面裂紋可能在焊趾上成核、擴展，最終貫穿板厚。合理的焊接順序能夠極大地減少焊縫中的殘余應力和變形，避免焊趾裂紋的產生[1]。連鑄機叉形臂焊趾部位受到高應力的作用，同時還受到附加彎矩的作用，這是該處產生疲勞裂紋的主要原因，這也說明此處的焊接對整個叉形臂的使用性能造成了較大的影響。叉形臂的主斷口是在沖擊性載荷作用下發生的瞬時沖擊斷裂。根據斷口表面放射狀條紋的走向，叉形臂的斷裂是在受到從上向下的巨大沖擊力時斷裂的。鋼水包座包時操作不當導致板鉤脫鉤形成巨大的沖擊載荷，是促使叉形臂突然斷裂的主要外因。由鋼板橫截面低倍檢查可知，鋼板心部存在分層現象。鋼板分層是中厚板生產過程中常見的缺陷之一。分層缺陷可導致鋼板力學性能惡化，特別是沿厚度方向的力學性能顯著降低，抗沖擊、抗疲勞能力減弱，易發生層狀撕裂，是一種易造成鋼板降級改判、嚴重時判廢的鋼板內部缺陷[2]。鋼錠內的氣泡、大塊的非金屬夾雜物、未完全切除的殘余縮孔或發生折疊，均可能引起鋼材的分層，而不太合理的軋制壓下規程又可能使分層加劇[3]。因此，本案例中鋼板中存在分層缺陷和材質屈服強度偏低，降低了鋼板的抗疲勞能力和抗沖擊能力，加快了叉形臂的裂紋擴展。

3 結語

（1）叉形臂斷裂鋼板化學成分、抗拉強度、斷后伸長率、沖擊性能均符合GB 6654-1996《壓力容器用鋼板》標準中16MnR的規定。叉形臂斷裂鋼板顯微組織未見異常。（2）叉形臂在長期交變應力的作用下，在焊趾處形成了疲勞裂紋，疲勞裂紋在巨大沖擊性載荷作用下發生快速擴展，導致叉形臂發生瞬時沖擊斷裂。此外，鋼板中心存在分層缺陷和材質屈服強度偏低，降低了鋼板的抗疲勞能力和抗沖擊能力，加快了裂紋擴展。

參考文獻：

[1] 楊永強，常志國，楊光 等.合理焊接順序在避免焊趾裂紋中的應用實例[J].電焊機，2015（2）：89-91.

[2] 李為繆.鋼中非金屬夾雜物[M].北京：冶金工業出版社，1998.

[3] 臧曉俊，程軍，段雙霞.鋼板分層原因分析及改進措施[J].山西冶金，2009（1）：53-54.

作者簡介：吳文祥（1980—），男，浙江衢州人，博士，工程師，主要從事金屬構件失效分析研究。E-mail：wwx985@163.com。