吊鉤斷裂失效原因分析

汪瑞俊

（池州市質量監督檢驗研究院，安徽 池州 247000）

某中板廠生產車間在吊運板材時發生吊鉤斷裂事故，吊鉤的斷裂位置發生在吊鉤的倒角部位，其中倒角半徑為2mm，斷裂吊鉤的實物如圖1 所示。吊鉤的服役條件為最大起重量16t、材質為20 號鋼、交貨狀態為經熱軋處理，至事故發生時該吊鉤已服役4 個月。為查明吊鉤斷裂的原因,避免類似失效再發生，本文對其進行了檢驗和分析。

圖1 斷裂吊鉤實物

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌觀察

為消除斷口油漬雜物，將斷口置于無水乙醇中超聲清洗。經肉眼宏觀觀察吊鉤斷口發現，斷口面較為齊平，未見明顯的宏觀塑性變形，斷口呈結晶狀脆性斷口，并在斷面上發現有擴展放射狀的撕裂嶺，由撕裂嶺擴展路徑判斷，斷裂源應位于吊鉤外側邊緣倒角處（圖2），裂紋由倒角邊緣向內擴展。由此初步判斷吊鉤斷裂應為脆性斷裂。

圖2 吊鉤斷口宏觀形貌

1.2 化學成分分析

采用火花直讀光譜儀對吊鉤的化學成分進行分析，分析結果如表1 所示，結果符合GB/T 699-2015《優質碳素結構鋼》標準要求。

表1 吊鉤化學成分分析結果（質量分數，%）

1.3 力學性能分析

在鉤頭位置分別取拉伸試樣和沖擊功試樣，力學性能結果見表2。結果表明，吊鉤材質屈服強度明顯要低于國標要求。

表2 吊鉤力學性能檢驗結果

1.4 金相分析

采用線切割方式在吊鉤斷面分別截取金相樣1#、2#、3#，拋光后置于顯微鏡下觀察，根據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》進行夾雜物評級，發現1#、2#試樣存在超尺寸的硅酸鹽類夾雜物（圖3），夾雜物評級結果見表3。金相組織采用4%硝酸酒精溶液侵蝕，1#、2#、3#試樣顯微組織均為鐵素體+珠光體（圖4），未見其他異常組織，平均晶粒度7.0 級。

表3 夾雜物及晶粒度級別評定結果

圖3 C 類超尺寸夾雜物

圖4 吊鉤顯微組織

1.5 斷口分析

在裂紋源區域截取試樣用于掃描電鏡（SEM）斷口的宏微觀分析，根據斷口宏觀形貌顯示，整體斷口形貌分為三個區：起始區、擴展區、瞬時斷裂區（圖5），其中裂紋源區的放大形貌見圖6。從圖7 可以看出，裂紋源起始區斷口形貌呈較為明顯的漣波狀花樣特征，對裂紋源區進一步放大，可見等軸狀的韌窩，擴展區呈河流狀的解理斷裂花樣（圖8），瞬時斷裂區形貌為脆性解理狀的特征花樣（圖9）。

圖5 斷口宏觀形貌（SEM）

圖6 裂紋源區形貌（SEM）

圖7 裂紋源區漣波花樣（SEM）

圖8 韌窩斷裂與解理斷裂交界處花樣（SEM）

圖9 脆性解理斷裂花樣（SEM）

2 分析與討論

該吊鉤的化學成分、力學性能等常規理化性能按GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》檢驗可知，吊鉤的化學成分及顯微組織基本滿足標準要求，未發現有明顯的冶金缺陷。但是其屈服強度要遠低于標準下限值。在吊裝大載荷物件時，吊鉤易因超過其極限載荷而發生塑形變形。

根據斷裂吊鉤的宏觀形貌分析可知，吊鉤的斷裂屬脆性斷裂。吊鉤在使用過程中主要受拉伸載荷的作用。一般在服役條件下，倒角所在部位所要承受的載荷最大。

裂紋源區的漣波特征花樣表明吊鉤在開裂起始階段經歷了較大的塑性變形，這應是與吊鉤屈服強度遠低于標準下限值有關。條帶狀硅酸鹽夾雜屬脆性夾雜，由于其塑性變形能力較差，不能隨金屬基體一起變形，因而容易變形的金屬在難以變形的硅酸鹽夾雜周圍塑性流動時產生很大的應力使夾雜物破碎而生成空隙，從而破壞了金屬基體組織的連續性。因此，吊鉤斷裂的主要原因是吊鉤內部存在較多超尺寸的硅酸鹽夾雜和較低的屈服強度。倒角臺階部位產生的少量應變會使倒角附近的超尺寸硅酸鹽夾雜與鋼基體界面形成孔洞，在較大的塑形變形下加快了微裂紋源的形成。當裂紋擴展到一定尺寸時，由于承載面積的縮小而難以承受應力載荷，導致裂紋的快速擴展，最終造成吊鉤脆性解理斷裂。

3 結語

吊鉤的斷裂屬脆性斷裂。材質中大尺寸的硅酸鹽夾雜和較低的屈服強度為微裂紋源的形成創造了條件，在服役狀態下，早倒角處形成微裂紋進而擴展，直至斷裂。建議提高鋼水的潔凈度及控制熱軋工藝措施，以減少鋼中大尺寸夾雜物，提高其力學性能。