電梯曳引機用螺栓斷裂原因

羅海軍, 張 捷, 張 勝

[國家電梯質量監(jiān)督檢驗中心(廣東), 佛山 518251]

某電梯在運行過程中發(fā)生轎廂沖頂事故[1]，經現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，事故電梯曳引機制動器的壓緊彈簧內有螺栓發(fā)生斷裂[2]，斷裂螺栓的宏觀形貌如圖1所示。斷裂螺栓為某高強度鋼制六角法蘭面螺栓，材料為45#鋼，直徑為20 mm，強度等級為8.8級。筆者對該斷裂螺栓與同批次其他螺栓進行了對比分析，確定了該螺栓斷裂失效的形式與原因，為避免類似事故再次發(fā)生提供了理論依據[3-4]。

圖1 斷裂螺栓的宏觀形貌

1 理化檢驗

1.1 硬度測試

采用HRD-150型洛氏硬度計，在斷裂螺栓和同批次螺栓的中心區(qū)域(軸心線處)和1/2半徑區(qū)域分別進行硬度測試，結果如表1所示。由表1可知：斷裂螺栓與同批次螺栓的整體硬度均分布較為均勻，但中心區(qū)域硬度均略低于1/2半徑區(qū)域的硬度；斷裂螺栓和同批次螺栓1/2半徑區(qū)域的洛氏硬度平均值分別為25.1 HRC和23.9 HRC，兩者均符合GB/T 3098.1—2010 《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》的要求，但接近于規(guī)定下限；斷裂螺栓中心區(qū)域的洛氏硬度為23.8 HRC，接近于GB/T 3098.1—2010的下限；同批次螺栓的中心區(qū)域為22.5 HRC，低于GB/T 3098.1—2010的要求。

表1 斷裂螺栓和同批次螺栓的洛氏硬度測試結果 HRC

1.2 化學成分分析

采用線切割方法對斷裂螺栓的橫截面進行取樣，經過水磨砂紙打磨后，采用真空火花發(fā)射光譜儀對基體材料進行化學成分分析，結果如表2所示，結果表明斷裂螺栓中的碳和磷元素含量均超出GB/T 699—2015 《優(yōu)質碳素結構鋼》的要求。

表2 斷裂螺栓的化學成分 %

1.3 斷口分析

1.3.1 斷口宏觀分析

對螺栓的斷口進行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)斷口表面比較平滑，斷裂面與軸向基本垂直。將斷口分成I～IV區(qū)域，其中I和II區(qū)有多個裂紋源，裂紋起始于螺栓齒根部位，并伴隨有明顯臺階，表明該區(qū)域所受的應力或應力集中程度較大；III區(qū)為裂紋擴展區(qū)，有較明顯的“貝紋狀”花樣；IV區(qū)為最終斷裂區(qū)，這是由裂紋擴展到一定程度時，截面縮小而材料疲勞強度不夠引起的，由此可以推斷螺栓斷裂形式屬于多源疲勞斷裂(見圖2)。

圖2 斷裂螺栓斷口宏觀形貌

1.3.2 斷口微觀分析

將斷口置于無水乙醇中進行超聲清洗，10 min后吹干，用Quanta 200型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口的形貌。可以看出螺栓斷裂起始于螺紋齒根部位[見圖3a)]；該部位屬于應力集中區(qū)域，具有較多的解理臺階[見圖3b)]；在螺紋邊緣有剪切唇存在，在斷口表面可以見到明顯的二次裂紋[見圖3c)]；在裂紋擴展區(qū)部分區(qū)域有“海灘”花樣，呈現(xiàn)出比較明顯的片層狀結構，具有大量表征疲勞斷裂的微觀“疲勞輝紋”，疲勞裂紋的擴展主要以準解理斷裂為主[見圖3d)]；最終斷裂區(qū)有大量的韌窩形成，呈韌性斷裂[5]特征形貌，這是因為隨著疲勞裂紋不斷擴展，螺栓產生了一定的開裂位移，導致施加在開裂螺栓上的徑向力得到了一定的松弛釋放，從而形成了韌窩狀組織[見圖3e),3f)]。

圖3 斷裂螺栓斷口SEM形貌

1.4 金相檢驗

在斷裂螺栓和同批次螺栓上截取徑向試樣，試樣經機械打磨、拋光， 1/2半徑區(qū)域經4%(體積分數(shù)，下同)硝酸酒精溶液侵蝕8 s后，在純水+乙醇溶液中清洗并吹干，利用光學顯微鏡對試樣的顯微組織進行觀察，并依據GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測試方法》對試樣進行晶粒度評級[6]。由檢驗結果可知：斷裂螺栓中心區(qū)域的顯微組織為片狀珠光體+白色網狀、針狀和塊狀分布的鐵素體，晶粒大小不均勻，有輕微的魏氏體，晶粒度等級評為8～9.5級[見圖4a)]。斷裂螺栓外表面區(qū)域的網狀鐵素體相對較少，晶粒度等級為9級[見圖4b)]。同批次螺栓中心區(qū)域的顯微組織與斷裂螺栓相似，但網狀鐵素體的分布有所不同，晶粒大小相對較均勻，晶粒度等級為9級[見圖5a)]。同批次螺栓外表面區(qū)域的顯微組織與斷裂螺栓相似，1/2半徑區(qū)域的網狀鐵素體明顯減少，晶粒更為細小，晶粒度等級為9.5級[見圖5b)]。

圖4 斷裂螺栓顯微組織形貌

圖5 同批次螺栓顯微組織形貌

1.5 脫碳層測試

根據GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用HVS-10型維氏硬度計分別在斷裂螺栓和同批次螺栓試樣的外表面、1/2半徑區(qū)域和中心區(qū)域進行維氏硬度測試，結果如表3所示。由表3可知：斷裂螺栓和同批次螺栓的外表面區(qū)域的維氏硬度平均值分別為231.9 HV和250.4 HV，均小于GB/T 4340.1—2009要求(≥255 HV)，且遠低于1/2半徑區(qū)域和中心區(qū)域，表明斷裂螺栓外表面有完全脫碳層[7]，同批次螺栓外表面有不完全脫碳層(見圖6)。

圖6 斷裂螺栓和同批次螺栓外表面顯微組織形貌

表3 螺栓不同區(qū)域的維氏硬度測試結果 HV

將試樣從中心剖開，制備軸向試樣，再經機械打磨和拋光后，用4%硝酸酒精溶液侵蝕20 s后對脫碳層進行觀察，斷裂螺栓外表面有厚度約為55.96 mm的完全脫碳層[見圖7a)]，不符合GB/T 3098.1—2010的要求(≤15 mm)。同批次螺栓外表面有不完全脫碳層[見圖7b)]，不完全脫碳層硬度測試結果分別為299.3，258.2，233 HV，也不符合GB/T 3098.1—2010的要求。斷裂螺栓的完全脫碳層和同批次螺栓的不完全脫碳層內均有裂紋[見圖8a)，8b)]。

圖7 斷裂螺栓和同批次螺栓脫碳層顯微組織形貌

圖8 斷裂螺栓和同批次螺栓脫碳層內裂紋形貌

2 綜合分析

上述理化檢驗結果表明：斷裂螺栓屬于多源疲勞斷裂，疲勞起源于應力集中的螺栓齒根表面，齒根表面有不符合GB/T 4340.1—2009規(guī)定的脫碳層，降低了螺栓的硬度和疲勞強度，在長期交變應力的作用下螺栓發(fā)生疲勞斷裂。螺栓齒根部分缺乏有效的過渡圓弧，易形成應力集中區(qū)域，當應力超過其斷裂強度時，會在其應力集中的薄弱處形成裂紋源。

斷裂螺栓的碳含量低于GB/T 699—2015要求的范圍，降低了螺栓的疲勞強度和硬度。斷裂螺栓的顯微組織為片狀珠光體+鐵素體(白色網狀、針狀和塊狀分布)，表明螺栓在熱處理時奧氏體化的加熱溫度過低或淬火前保溫時間不足，造成斷裂螺栓基體硬度的分散度加大，基體的疲勞強度明顯降低，塑性和韌性下降，尤其是沖擊韌性下降明顯，最終在螺栓裂紋擴展區(qū)表現(xiàn)出準解理斷口形貌的微觀特征。

3 結論與建議

該螺栓齒根表面有不合格脫碳層，齒根缺乏圓弧過渡，易形成應力集中，螺栓的硬度、疲勞強度等各項性能均下降，在長期交變應力的作用下發(fā)生了疲勞斷裂。

建議加強質量監(jiān)控，對螺栓的化學成分、力學性能、顯微組織和表面缺陷等進行嚴格檢查，嚴格控制原材料質量，嚴格按工藝的要求進行調質熱處理，以獲得細密的回火索氏體，全面改善螺栓的塑性和韌性。同時適當?shù)卦龃舐菟X根的圓弧半徑，降低加工表面粗糙度，以減少應力集中。