機械過載引起的損壞事故

張永友

摘 要：本文列舉了生產中發生的8種產品破壞的事例，分析了它們各自失效的原因.歸納出它們的損壞有一個共同的特點，就是機械過載，即拉伸應力，剪切應力，扭轉應力，彎曲應力等過載.

關鍵詞：機械過載;拉伸應力;剪切應力;扭轉應力;彎曲應力

1引言

機械過載是產品在使用過程中比較常見的一種現象.具體的表現方式有過載的拉伸，過載的彎曲，過載的扭轉，高的交變壓縮應力，高的交變剪切應力，以及強烈的摩擦等等.由于機械過載而導致的產品失效或損壞的事例很多，下面看一些實例。

2拉伸，彎曲，剪切及扭轉過載

過載是在應力過高或者材料的強度過分降低時發生的.對于擁有了必要純度的材料，要判斷其是否滿足規定的強度，是不難的.但是，要使材料能承受預期的載荷，而倒推材料該做成不大不小的尺寸，通常比較困難.做大了，浪費材料;做小了，零件承受不起工作的載荷。

某聯接螺栓裝夾工件時發生了頸縮現象，檢查原因：該螺栓化學成分符合標準，金相組織是均勻的調質組織，螺栓的抗拉強度為930兆帕，也符合標準.只所以出現拉伸過度即頸縮的原因，是因為螺栓擰的過緊，即拉伸應力過大.超過了屈服強度，螺栓過載而大量伸長及頸縮。

某塔吊上的螺栓，失效方式與上例不同.已經破壞的螺栓，在第一圈螺紋部分，由于剪切力的作用，在垂直軸線的方向上偏離了原來的位置，觀察其破壞面，是通過縱斷面的韌性斷裂，分析其金相組織，是均勻的細晶粒，沒有組織缺陷，所以是過度的剪切應力導致了該螺栓的破壞。

某大噸位的礦山運輸車，啟動時沖擊載荷過大，使得變速箱里的齒輪產生了裂紋，雖然齒輪滲碳及其淬火都符合要求，滲碳層深度有1個毫米，但是齒兩側的齒根部分還是有多處產生了疲勞裂紋，甚至有兩處的齒都斷掉了.齒輪心部的硬度約為1400兆帕，偏高，降低了沖擊韌性，對于過載的沖擊載荷，造成變速箱齒輪的提前損壞。

下面是一個比較復雜的事例.某石油鉆井裝置中發生了破壞.該裝置中有一個起吊桿，長3600米，在進行起吊操作時其下端的連接管接頭發生了損壞.進行力學分析發現，該桿在工作狀態下，承受拉伸應力，扭轉應力，彎曲應力的綜合作用.總體載荷大，且頻繁作用，導致了裂紋的產生及擴展.具體分析是，起吊桿在起吊的過程中，受到偏大的拉伸載荷，使得桿下部的連接管接頭產生了初期裂紋;之后，起吊桿抱緊與其相配的鉆桿，會受到扭轉力矩，造成初期裂紋發展成裂縫.對已經破壞的連接管接頭進行分析和檢查，連接管接頭的材料是中合金鋼三六鉻鎳鉬四，毛坯是無縫鋼管，進行了調質，抗拉強度約為1100兆帕.破壞從裝在接頭中的襯套的螺紋部和圓柱部之間呈銳角環形發生.判斷最初的破壞是沖擊性剪切載荷引起的.最終破壞卻是另外一種現象.裂紋擴展成與纖維方向垂直，而且圍繞中心軸呈螺旋狀延伸.破壞的襯套殘留部分，照原樣套在連接管接頭的螺紋部分中，這說明：起吊桿抱緊與其相配的鉆桿時，扭轉應力造成了裂紋的擴展.襯套的成分，組織及其韌性都符合標準，這種情況下的破壞，明顯是過載的緣故.為了增加襯套的承載能力，希望襯套具有合理的纖維組織，所以，襯套的毛坯，最好不用無縫鋼管，而應在機械加工之前，鍛造出毛坯.鍛件內部纖維組織保持連續，具有更高的承載能力。

也有的破壞發生在溫度比較高的時候.某蒸汽鍋爐，在切線方向上，受到拉應力，超過了其本身的高溫強度，就在管子的全長上出現裂紋.此時，溫度往往會明顯地超過規定值，但導致這一現象發生的原因，并不止一個.可能有多個原因.究竟是水的中斷，還是蒸氣流的中斷，還是由于給水生成的水垢的絕熱，還有待進一步的研究。

某耐熱鋼十五鉬三，制成的過熱器管發生裂紋破壞.觀察其橫斷面組織，未加熱部分的組織是鐵素體和細小的珠光體，是正常組織，在發生裂紋附近區域的組織，珠光體顯著球化了，并且，在鐵素體晶粒內，還析出了聚集起來的鉬的碳化物.在裂縫的邊緣，一部分珠光體轉變成了馬氏體.這個現象表明，溫度超過了臨界點，比合理溫度超過兩百度以上.在這個溫度下，該耐熱鋼的蠕變強度極低.因此發生了裂紋而破壞。

還有一個由于明顯過熱，所加載荷超過了材料的高溫強度，引起了破壞事故的事例.某高爐的熱風爐，使用一年半之后進行檢查，燃燒室完好.又使用三個月，燃燒室破壞而變得粉碎.以前平整的噴嘴，現在變得凸凹不平，并且上附大量的鱗片.檢查噴嘴的鋼材化學成分，是規定的鑄鋼，該鋼具有很好的耐熱性，高溫強度也很高，所以，這個噴嘴，在最后的三個月發生了破壞，是異常的.從噴嘴的嘴部取樣，進行金相觀察，發現噴嘴鱗片下方有許多空穴，碳的濃度也有增加.為探查許多空穴及碳濃度增加的原因，另外做了一個退火試驗，得到同樣的結果，是在1200度以上的溫度，加熱兩小時后開始出現的.根據這個試驗可知，最后的幾個月，由于燃燒室火焰倒流，噴嘴的嘴部，經常被加熱到1200度以上，超過了正常值（1100度），使得所加載荷超過了材料的高溫強度（此時噴嘴的高溫強度已經下降），導致了燃燒室的破壞。

下面是剪切應力造成損壞的事例.某四五鉻鎳鉬合金鋼制造的鍛造模具，從型腔底部為起點發生了裂紋，鍛工認為是材料缺陷或淬火缺陷.分析裂紋的成因，先是確定了材料化學成分符合規定，材料沒有缺陷，再回過頭來分析裂紋.裂紋從型腔底部發生，然后，不管是底部還是側壁，都沿著約45度方向在材料中傳播，這是典型的剪切應力裂紋的傳播方式，完全可以與淬火裂紋區分開來，排除了淬火缺陷.另外，該鍛造模具在制造過程中，型腔上端也產生裂紋，這個裂紋不再是剪切應力造成的，而是型腔上沿的周邊拉伸應力引起的，該裂紋可以用奧氏體鋼焊條進行焊接修補.最終的結論是，該模具的破壞，排除了其它的因素，完全是操作過程中，剪切應力過載引起了型腔底部裂紋。

3.結束語：

機器或者零件出現損壞或者失效，需要具體情況具體分析，從而找到避免或者解決的辦法。