20鋼吊環螺釘斷裂分析

王建奇　李海霞　王梅英　張小伍

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江150046)

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20鋼吊環螺釘斷裂分析

王建奇李海霞王梅英張小伍

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江150046)

通過對20鋼吊環螺釘的宏觀檢查、化學成分、金相顯微組織、斷口形貌以及斷口微區成分等進行分析，確定了吊環螺釘的斷裂原因。結果表明：吊環螺釘斷裂的性質為脆性斷裂，吊環螺釘裝卡不當、螺紋處加工質量不高以及材質上的不足是吊環螺釘斷裂的主要原因。

20鋼；吊環螺栓；斷裂

20鋼屬于優質低碳碳素鋼，其強度低，韌性、塑性和焊接性均好，廣泛應用于各種重要的結構零件[1]。吊環螺栓簡稱吊環，屬于吊鉤的一種，是起重機械中常用的一種吊具，但吊環選材不當或加工質量不好時可能會造成吊環破壞，引起吊物墜落，帶來嚴重后果[2]。2012年7月，某電廠機組安裝過程中，在現場吊裝隔板套時，吊環螺釘發生斷裂，規格為M42，吊環螺釘螺紋部分長80mm(未見退刀槽)。為了查明吊環螺釘的斷裂原因，對斷裂失效件進行了檢驗和分析，斷裂吊環螺釘形貌見圖1。

1　理化檢驗

1.1化學成分分析

20鋼吊環螺釘的化學成分分析結果見表1。由表1可見，吊環螺釘的化學成分符合GB/T699—1999的要求。

圖1　斷裂吊環螺釘形貌Figure 1　The fracture appearance of lifting eye bolt

1.2力學性能

對20鋼吊環螺釘進行室溫力學性能測試，測試結果見表2，發現吊環螺釘屈服強度不符合GB/T699—1999中的規定值。

1.3金相檢驗

在吊環斷口處截取縱向試樣，拋光后在光學顯微鏡下觀察金相照片，見圖2。從圖2可見，20鋼吊環螺釘的金相檢驗結果符合GB/T825—1988中的技術要求，但吊環螺釘純凈度不高，存在較多夾雜物[3]。

表1　吊環螺釘的化學成分(質量分數，%)Table 1　Chemical composition oflifting eye bolt (mass fraction, %)

表2　吊環螺釘的力學性能試驗結果Table 2　The results of mechanicalproperty test of lifting eye bolt

圖2　吊環螺釘金相組織Figure 2　The metallographic structure of lifting eye bolt

(a) 吊環螺釘斷裂位置

(b) 吊環螺釘斷口宏觀形貌圖3　吊環螺釘斷裂位置和斷口宏觀形貌Figure 3　The fracture position andmacroscopic appearance of lifting eye bolt

1.4粗糙度檢查

對20鋼吊環螺釘螺紋部分粗糙度進行檢查，檢查后發現吊環螺栓螺紋加工較為粗糙，牙側有很多加工刀痕，吊環螺紋部分粗糙度為12.5μm，不符合GB825—1988中粗糙度為6.3μm的規定。

2　斷口分析

2.1斷口宏觀分析

吊環螺釘斷口宏觀形貌如圖3所示。斷裂位置距端部為50mm，斷面較為平坦，斷口較為新鮮，呈銀灰色，有白亮色小刻面，斷口從吊環螺釘螺紋牙底起裂，有明顯的發散棱線，沒有明顯的塑性變形。

2.2斷口微觀形貌分析

在SUPRATM55掃描電子顯微鏡下觀察吊環螺釘斷面微觀形貌，用QUANTAX200能譜分析儀對斷面進行X-ray微區成分分析。斷面微觀形貌見圖4。能譜分析測試圖見圖5。測試結果見表3。吊環螺釘斷口都為解理斷口，典型的脆性斷裂，斷面上有夾雜物存在。

3　分析與討論

(1)從吊環螺釘的斷口分析來看，吊環螺釘為脆性斷裂，螺紋牙底有加工刀痕，牙側加工很粗糙，不符合GB825—1988中粗糙度規定，這就增加了螺紋處的應力集中效應[4]。

(2)從吊環螺釘的斷裂位置來看，吊環螺釘斷裂剩余螺紋部分約30mm，斷裂位置為吊環螺釘螺紋旋進隔板套螺孔的邊緣位置，起吊隔板套時會增加吊環螺釘螺紋旋緊隔板套螺孔的邊緣位置的受力。

(a)斷口源區形貌

(b)斷口微觀形貌圖4　斷口源區形貌和微觀形貌Figure 4　The macroscopic appearance andmicroscopic appearance of fracture

圖5　斷口夾雜物能譜測試圖Figure 5　The energy spectrum of fracture inclusion表3　斷口夾雜區能譜測試結果(質量分數，%)Table 3　The tested results of energy spectrum offracture inclusion area(mass fraction, %)

FeOCMnSSiCaS18.434.736.2952.8316.071.120.5416.07

(3)從吊環螺釘的材質檢驗來看，吊環螺釘的屈服強度低于標準要求，金相檢驗及能譜測試可見吊環螺釘鋼存在大量的夾雜物，這些因素都降低了吊環螺釘的承載能力。

(4)吊環螺釘起吊隔板套時，吊環螺釘螺紋旋緊隔板套螺孔的邊緣位置受沖擊載荷的作用，再加上螺紋處的應力集中效應及材質的不足，使吊環螺釘工作時發生脆性斷裂。

4　結論

(1)吊環螺釘裝卡不當、螺紋處加工質量不高以及材質不足是吊環螺釘斷裂的主要原因。

(2)建議吊環螺釘的裝卡要靠近螺紋末端，提高吊環螺釘加工質量和嚴把材質檢驗關。

[1]吳承建，陳國良，強文江，等．金屬材料學[M]．北京：冶金工業出版社，2009．

[2]李培芬，賓遠紅. 45鋼吊環斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊，2012，48(10):701.

[3]李炯輝，林德成．金屬材料金相圖譜[M]．北京：機械工業出版社, 2006 .

[4]嚴春蓮，溫娟，劉曉嵐，等．吐絲機螺栓斷裂的失效分析[J]．理化檢驗-物理分冊，2008，44(6)：316-318.

編輯杜青泉

FractureAnalysisof20SteelLiftingEyeBolt

WangJianqi,LiHaixia,WangMeiying,ZhangXiaowu

Byanalyzingthemacroscopictest,chemicalcomposition,metallographicstructure,fractureappearanceandmicro-areacompositionoffracture,thefracturereasonofliftingeyebolthasbeendetermined.Theresultsshowthatthepropertyoffactureforliftingeyeboltisthebrittlefracture.Meanwhile,themainreasonoffractureisduetotheincorrectassemblingofliftingeyebolt,thepoormachiningqualityofscrewthread,andtheshortageofmaterial.

20steel;liftingeyebolt;fracture

2016—03—22

TG115B