42 2009 年第 32 卷第 1 期 吊車車輪失效分析 趙 駿 （攀鋼鋼鐵研究院） 摘 要： 通過(guò)化學(xué)、金相和電鏡等理化檢驗(yàn)手段，對(duì)發(fā)生瞬時(shí)開(kāi)裂的吊車車輪進(jìn)行了解剖分析。結(jié)果表明，車輪以疲勞方式失效，并確定設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足、材料中夾雜物和空隙的密集分布、金屬鉛在晶界的偏聚以及熱處理對(duì)材料的強(qiáng)化不足是導(dǎo)致車輪開(kāi)裂的原因。 關(guān)鍵詞： 吊車車輪；斷口；裂紋；疲勞；晶界偏聚 0 引言 某廠一吊車主動(dòng)輪僅使用 4 個(gè)月，便沿工藝孔開(kāi)裂，斷成三大塊，險(xiǎn)些造成人員傷亡事故。同類型的吊車仍在運(yùn)行使用，為了查清車輪開(kāi)裂的原因，以及對(duì)其他吊車進(jìn)行安全評(píng)估，對(duì)開(kāi)裂車輪進(jìn)行了理化檢驗(yàn)及失效原因分析。 開(kāi)裂車輪采用雙輪緣車輪設(shè)計(jì)，直徑為 750 輪輻上有 4個(gè)均勻布置的 140 車輪材質(zhì)采用 ，對(duì)應(yīng)于 11352 1989標(biāo)準(zhǔn)中的 640 牌號(hào) 1，標(biāo)準(zhǔn)要求車輪踏面及輪緣經(jīng)淬火以及回火熱處理到硬度 380，淬硬層深度不小于 20 1 理化檢驗(yàn) 宏觀檢驗(yàn) 檢查開(kāi)裂車輪發(fā)現(xiàn)，車輪沿徑向斷開(kāi)，其中兩個(gè)輪幅斷口已被磨平，說(shuō)明 吊車車輪 早就已經(jīng)斷裂。沿徑向斷開(kāi)的兩塊車輪的拼合形貌見(jiàn)圖 1（ a），其中一個(gè)斷口的形態(tài) 見(jiàn)圖 1（ b）。在圖 1（ b）中斷口上邊緣為工藝孔，下邊左右兩邊為輪緣，中間平直段為車輪踏面。觀察發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的面積很小，且斷裂起源于工藝孔的邊緣（孔壁），并且顯示出多疲勞源斷口形貌，見(jiàn)圖 1（ c）。 （ a）斷開(kāi)的兩塊車輪的拼合形貌 （ b）吊車車輪斷口外貌 （ c）圖（ b）上部的放大 5 圖 1 吊車車輪斷口外貌及局部放大 用游標(biāo)卡尺測(cè)量工藝孔斷口區(qū)輪幅厚度及拼合的斷裂車輪上工藝孔的直徑，同時(shí)錄入 6392 標(biāo)準(zhǔn)值 2。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示輪緣厚度不均勻，較厚的一邊為 25 薄的一邊為 18 藝孔實(shí)測(cè)直徑達(dá)到 140 標(biāo)準(zhǔn)要求僅為 55 輪技術(shù)要求尺寸和實(shí)測(cè)值見(jiàn)表 1。 化學(xué)成分分析 在 吊車 車輪斷口附近取樣，用光譜分析其化學(xué)成分，同時(shí)錄入 11352 1989 標(biāo)準(zhǔn)中 40 牌號(hào)鑄鋼 化學(xué) 成分，見(jiàn)表 2。由表 2 可見(jiàn)，斷裂車輪 光譜分析結(jié)果滿足 640 牌號(hào)要求。 表 1 車輪的技術(shù)要求尺寸和實(shí)測(cè)值 輪輻厚度 / 藝孔直徑 / 輪 實(shí)測(cè) 值 38 140 6392 50 55 斷裂源 攀 鋼 技 術(shù) 43 表 2 吊車車輪的化學(xué)成分 C n P S 車輪實(shí)測(cè)值 40 牌號(hào) 斷口微觀檢驗(yàn) 通過(guò)斷裂源區(qū)（緊挨工藝孔之孔壁斷口）切取試樣，經(jīng)掃描電鏡（ 察發(fā)現(xiàn)，斷裂源處存在疏松區(qū)（見(jiàn)圖 2（ a）和密集的裂紋（見(jiàn)圖 2（ b），能譜分析確定夾雜區(qū)主要為鉛偏聚， 量高達(dá)37%） 。鉛是低熔點(diǎn)金屬（ ，在熱處理溫度下的汽化所產(chǎn)生的蒸汽壓足以引起基材的疏松和熱裂。 （ a） 斷口面的疏松區(qū) （ b）斷口內(nèi)部裂紋 圖 2 斷口面的疏松區(qū)和 斷口內(nèi)部裂紋 金相檢驗(yàn)分析 在圖 1（ c）所示的斷口附近切取的試片，磨光后用熱鹽酸浸洗顯示的低倍組織見(jiàn)圖 3，在鄰近斷裂源部位顯示密集的孔隙，見(jiàn)圖 4。 在孔隙區(qū)制備的樣品，在金相顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)沿晶的夾雜和孔隙，其附近區(qū)域（右邊）有密集的夾雜區(qū)，見(jiàn)圖 5。 圖 3 車輪橫斷面的低倍組織 圖 4 斷裂源區(qū)局部放大，顯示密集空隙 40 圖 5 沿晶的夾雜和孔隙 用 2%硝酸酒精腐蝕后的試樣，經(jīng)金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，所有鑄件的表面（非加工面）都有深淺不一的脫碳層，測(cè)定平均脫碳層為 1.5 輪內(nèi)部組織為珠光體 +粗大的網(wǎng)狀鐵素體，說(shuō)明車輪在淬火熱處理時(shí)加熱溫度過(guò)高，且在高溫區(qū)保溫時(shí)間 太長(zhǎng)。在 18 .1 圖 6?？梢?jiàn) ,車輪沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求的 20硬層深度，而踏面的淬火層在 4 個(gè)月使用期已經(jīng)磨損 變形，說(shuō)明淬火硬化層太淺，見(jiàn)圖 7。 44 2009 年第 32 卷第 1 期 圖 6 輪緣表面脫碳層下的混合組織 圖 7 車輪踏面表面層組織 2 車輪失效原因分析 根據(jù)開(kāi)裂車輪的斷口外貌確定，該車輪屬于疲勞斷裂，且疲勞裂紋起源于工藝孔環(huán)向方向的孔壁。這就說(shuō)明孔壁在環(huán)向方向存在局部應(yīng)力 , 最高局部強(qiáng)度最低的疲勞裂紋形核條件。 經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，輪輻厚度只有 38 低于 T 6392 1992 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 50 度，設(shè)計(jì)的支撐強(qiáng)度不足。另一方面，在薄的輪輻上均布的 4個(gè) 140 徑工藝孔，其直徑遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的 55 然過(guò)大直徑的工藝孔進(jìn)一步削弱了車輪的承載能力。當(dāng)車輪承受來(lái)自車軸的壓迫時(shí)，在相當(dāng)于時(shí)鐘 3 點(diǎn)和 9 點(diǎn)位置的大尺寸工藝孔會(huì)產(chǎn)生彈性失圓，此時(shí)工藝孔孔壁的環(huán)向方向拉應(yīng)力最大，車輪的孔壁的表面狀況特別是露頭夾雜對(duì)該拉應(yīng)力非常敏感。 在孔壁的材料中存在低熔點(diǎn)的金屬鉛的偏聚，當(dāng)車輪熱處理時(shí)，可能擴(kuò)散到晶界形成晶界膜，再加上沿凝固晶界分布的夾雜的共同作用，會(huì)削弱所在區(qū)域的塑性和強(qiáng)度。在孔壁沒(méi)有經(jīng)熱處理強(qiáng)化，并存在嚴(yán)重脫碳，使局部進(jìn)一步削弱，當(dāng)失圓與孔壁的冶金缺陷削弱的部位重合時(shí)，在反復(fù)應(yīng)力作用下，會(huì)過(guò)早形核疲 勞裂紋。每一個(gè)被削弱的區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)疲勞源，因此，顯示出多源疲勞的斷口特征。這些初始裂紋不僅是減小車輪的有效承載截面，而且在裂紋尖端產(chǎn)生更大的應(yīng)力，或相當(dāng)于宏觀應(yīng)力集中點(diǎn)。 因此，在不大的使用載荷條件下，小裂紋前緣區(qū)就能超過(guò)材料的強(qiáng)度而發(fā)生局部斷裂。另外，基體組織粗大，使材料脆化，裂紋的擴(kuò)展抗力不足，因此，疲勞區(qū)很小時(shí)整個(gè)車輪就發(fā)生了瞬時(shí)脆斷。 3 結(jié)語(yǔ) （ 1）吊車車輪是疲勞方式失效，疲勞裂紋起源于工藝孔內(nèi)壁。車輪工藝孔尺寸過(guò)大，輪輻太薄，在設(shè)計(jì)上使得車輪支撐強(qiáng)度不足。 （ 2） 斷裂車輪 光譜分析化學(xué)成分滿足 640 牌號(hào)要求。 金相和電鏡等理化檢驗(yàn)表 層沒(méi)有獲得調(diào)質(zhì)熱處理的組織，脫碳層太深以及材料中存在嚴(yán)重的疏松、夾雜和鉛的富集等都降低車輪表面強(qiáng)度，為疲勞裂紋形成提供了條件，多種綜合作用造成車輪早期斷裂。 參考文獻(xiàn) 1 張絲雨 . 最新金屬材料牌號(hào)