熱過(guò)載引起的損壞事故

張永友

摘 要：本文討論了機(jī)械零件在受熱作用時(shí)，熱過(guò)載所帶來(lái)的隱患和后果.熱過(guò)載有兩種形式，一是過(guò)熱，二是溫度變化引起相變，要么會(huì)造成晶粒粗大，強(qiáng)度降低，要么會(huì)造成局部淬火，產(chǎn)生組織應(yīng)力，形成初期裂紋，從而縮短產(chǎn)品壽命，造成提前損壞.

關(guān)鍵詞：熱過(guò)載;過(guò)熱;組織應(yīng)力

1.引言

產(chǎn)品制造過(guò)程中，許多零件都要經(jīng)歷加熱的階段，比如熱處理的加熱，或者鍛造前的加熱，或者焊接，或者電筆刻字，等等.而加熱過(guò)程的控制是否準(zhǔn)確，恰當(dāng)，就顯得很重要.否則，就可能因?yàn)闊徇^(guò)載而引起損壞事故.

熱過(guò)載會(huì)有兩種表現(xiàn)形式，一是過(guò)熱，二是溫度變化引起相變.下面分別加以討論.

2.過(guò)熱引起的損壞事故

某直徑為4毫米的60鋼繞制成彈簧，經(jīng)過(guò)光亮退火，在使用一到兩周后，端部變脆，發(fā)生了斷裂.查找原因：材料的化學(xué)成分檢查是符合標(biāo)準(zhǔn)的.檢查斷裂面的組織，為異常粗的貝殼狀晶體.并且在其晶間還看到了初期熔化的痕跡.顯示該彈簧在進(jìn)行光亮退火時(shí)，加熱及其保溫發(fā)生了過(guò)熱.個(gè)別地方超過(guò)了規(guī)定的加熱溫度，造成了晶粒粗大，甚至有的地方溫度更高，產(chǎn)生了過(guò)燒，才有了晶間的初期熔化的現(xiàn)象.過(guò)熱和過(guò)燒降低了彈簧的性能和壽命.

某工具鋼制造的離心制造用模具的內(nèi)壁上發(fā)生了網(wǎng)狀裂紋.裂紋的深度在1毫米以下.裂紋的邊緣發(fā)生了氧化，沒(méi)有脫碳.X射線透視照片上沒(méi)有看到這種裂紋.針對(duì)這個(gè)有裂紋的模具，將其內(nèi)壁進(jìn)行鏜削加工，去除兩毫米，淺處的裂紋也被去掉了，在成功生產(chǎn)了900個(gè)以后，在縱向又發(fā)生了裂紋.縱向裂紋的產(chǎn)生，可做如下的推理：模具在快速加熱時(shí)，表面層因?yàn)楸。员患訜岬较喈?dāng)高的溫度，但是此時(shí)中心區(qū)的溫度相對(duì)而言還比較低，不會(huì)與表層一起熱膨脹，而是阻止表層的延伸所以會(huì)承受壓應(yīng)力.如果此壓應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度，表層就會(huì)被鐓厚.隨后冷卻時(shí)，表面層會(huì)承受拉應(yīng)力，這種多方向的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的反復(fù)作用，超過(guò)了材料的疲勞強(qiáng)度，所以模具發(fā)生了斷裂.

3.溫度變化引起熱應(yīng)力

某焙燒蘇打的回轉(zhuǎn)窯殼體，在工作過(guò)程中，其內(nèi)側(cè)和外側(cè)都發(fā)生了裂紋.該殼體是從外側(cè)采用油料進(jìn)行加熱的.外側(cè)的裂紋與殼體的中心軸成45度角，貫通斷裂處.在殼體的內(nèi)側(cè)，去除蘇打的殘余物之后，也發(fā)現(xiàn)了裂紋，其中，一部分裂紋與中心軸成45度.由此可見，在裂紋產(chǎn)生的時(shí)候，殼體同時(shí)也受到了扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用.另一部分裂紋的走向與殼體的中心軸平行，而且，外側(cè)的裂紋在擴(kuò)展的過(guò)程中，相對(duì)于殼體的中心軸，大致成90度角，所以，對(duì)于外側(cè)裂紋的發(fā)生，首先應(yīng)該考慮彎曲應(yīng)力的存在.彎曲應(yīng)力足夠大，造成了裂紋的擴(kuò)展直到裂紋貫通.檢查殼體的材料，是鍋爐鋼板，中心部位有偏析，是沸騰鋼.殼體外側(cè)表面上含有大量的硫，說(shuō)明用來(lái)加熱回轉(zhuǎn)窯的油料中含硫量高.被殼體吸收了一部分的硫，大大增加了殼體中硫的含量.裂紋面上也附著有鐵鱗，外側(cè)形成的裂紋沿垂直于纖維組織的方向而擴(kuò)展，即與殼體的中心軸大體垂直的方向擴(kuò)展.鐵鱗存在的地方，裂紋被阻止了，裂紋改為直線擴(kuò)展，由此可見，裂紋的擴(kuò)展，主要是晶內(nèi)擴(kuò)展，不是沿晶界擴(kuò)展的.檢驗(yàn)該鍋爐鋼的花學(xué)成分，為低碳鋼，含碳量是百分之零點(diǎn)一，又經(jīng)過(guò)了退火處理，本身強(qiáng)度就不高，又受到了彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的多重作用，根據(jù)殼體外側(cè)表面的鑒定，認(rèn)為該損壞事故的發(fā)生，是因?yàn)闅んw在加熱，冷卻的多次作用下，溫度反復(fù)變化，造成熱應(yīng)力反復(fù)作用于殼體，形成初期裂紋，裂紋擴(kuò)展，直至損壞.

某含碳量為百分之零點(diǎn)八四的鋼制造的鍍鎘板簧在使用過(guò)程中發(fā)生了斷裂.斷裂的起點(diǎn)是幾條小裂紋，這些小裂紋和板簧表面的局部熔穴聯(lián)通，檢查金相組織，發(fā)現(xiàn)熔穴下面的材料被加熱到熔點(diǎn)附近，于是發(fā)生了向馬氏體轉(zhuǎn)變的相變，這一部分組織的硬度為HV753，稍遠(yuǎn)處未發(fā)生相變的依然是調(diào)質(zhì)組織，硬度為HV455，根據(jù)這一結(jié)果，可以判斷斷裂原因是由于局部淬火造成的應(yīng)力裂紋.局部熔穴的形成是在通電鍍鎘時(shí)，板簧接觸不良形成的電弧引起的.電弧的溫度很高，在板簧表面形成了熔穴.歸根到底，淬火裂紋和板簧斷裂的原因是鍍鎘時(shí)的電弧.

某無(wú)軌電車連接桿斷裂的原因也是熱應(yīng)力的影響.連接桿的材料是含碳量為百分之零點(diǎn)六的鋼，在電車車輛編組時(shí)，由于碰撞而斷裂.斷裂之處所承受的載荷并不是連接桿上最大的載荷.觀察金相組織，在位于方形斷面的斷裂邊緣的斷裂起點(diǎn)上，可以清楚地看到細(xì)晶組織.取樣，腐蝕研磨面，在顯微鏡下看到被淬火的馬氏體的斑點(diǎn).掉過(guò)頭來(lái)，在連接桿的另一端，也能看到一樣的組織和現(xiàn)象.由此看出，兩端發(fā)生了燒傷.發(fā)生燒傷的原因是：電車的電流從因積雪而絕緣的動(dòng)力車流過(guò)接地良好的連接車時(shí)，由于具有高絕緣電阻，使得連接桿在短時(shí)間里發(fā)生電弧放電，電弧的高溫使得連接桿的兩端被局部淬火，形成馬氏體組織，與附近的組織之間存在應(yīng)力，形成了裂紋的起點(diǎn)，電車在編組時(shí)，連接桿發(fā)生碰撞，裂紋擴(kuò)展，從而造成了連接桿的斷裂.

某不銹鋼制作的人骨鉆頭，使用一段時(shí)間后，鉆頭發(fā)生了斷裂.觀察斷面的損壞情況，是疲勞裂紋.查找損壞的原因，在斷裂的起點(diǎn)處，可以識(shí)別用電筆寫上的部分?jǐn)?shù)字的痕跡.另一部分?jǐn)?shù)字存在于另一斷裂部分.斷裂的原因應(yīng)該有兩點(diǎn)，第一點(diǎn)是用電筆刻數(shù)字的地方，減少了承載面積，造成了應(yīng)力集中;第二點(diǎn)，電筆在鉆頭上刻數(shù)字時(shí)，放電產(chǎn)生的高溫使鉆頭材料產(chǎn)生了熔化，該部位冷卻時(shí)發(fā)生局部淬火，導(dǎo)致淬火應(yīng)力，形成初期裂紋.鉆頭在工作過(guò)程中，多次承受振動(dòng)載荷，使初期裂紋發(fā)展成疲勞裂紋，最終造成了鉆頭的斷裂.

4.結(jié)束語(yǔ)

零件的性能和壽命受很多因素影響，溫度是其中一個(gè)重要的因素，要預(yù)防熱過(guò)載.