摘 要:某電梯曳引機用螺栓在使用過程中發生了斷裂。采用化學成分分析、金相檢驗、硬度測 試及斷口分析等方法,對螺栓斷裂的原因進行了分析。結果表明:由于原材料、設計、熱處理等方面 的原因使螺栓各項性能下降,齒根部位形成應力集中,在長期交變應力的作用下發生了疲勞斷裂。 最后提出了控制螺栓原材料的質量,嚴格進行調質熱處理的改進措施。 

關鍵詞:電梯曳引機;螺栓;斷裂;脫碳層 

中圖分類號:TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)07-0068-04 

某電梯在運行過程中發生轎廂沖頂事故[1],經 現場調查發現,事故電梯曳引機制動器的壓緊彈簧 內有螺栓發生斷裂[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20mm,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 似事故再次發生提供了理論依據[3-4]。 

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域(軸心線處)和1/2半徑區域 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,但中心區域硬度均略低于1/2半徑區域的硬度; 斷裂螺栓和同批次螺栓1/2半徑區域的洛氏硬度平 均值分別為25.1 HRC 和23.9 HRC,兩者均符合 GB/T3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘 和螺柱》的要求,但接近于規定下限;斷裂螺栓中心 區域的洛氏硬度為23.8HRC,接近于 GB/T3098.1—2010 的 下 限;同 批 次 螺 栓 的 中 心 區 域 為 22.5HRC,低于 GB/T 3098.1—2010的要求。 

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《優質碳素結構鋼》的要求。

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,發現斷口表面比 較平 滑,斷 裂 面 與 軸 向 基 本 垂 直。 將 斷 口 分 成 I~IV 區域,其中I和II區有多個裂紋源,裂紋起始 于螺栓齒根部位,并伴隨有明顯臺階,表明該區域所 受的應力或應力集中程度較大;III區為裂紋擴展 區,有較明顯的“貝紋狀”花樣;IV 區為最終斷裂區, 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)。 

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 Quanta200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)];在裂紋擴展區部分區域有“海灘”花樣,呈現出 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)]。 

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半徑區域經4%(體積分 數,下同)硝酸酒精溶液侵蝕8s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/T6394—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 表面區域的顯微組織與斷裂螺栓相似,1/2半徑區 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)]。 

1.5 脫碳層測試 

根據 GB/T4340.1—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半徑區域和中心區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 的外表面區域的維氏硬度平均值分別為231.9HV 和 250.4 HV,均 小 于 GB/T 4340.1—2009 要 求 (≥255HV),且遠低于1/2半徑區域和中心區域, 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)。

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20s后 對 脫 碳 層 進 行 觀 察,斷 裂 螺 栓 外 表 面 有 厚 度 約 為 55.96μm 的完全脫碳層[見圖7a)],不符合 GB/T 3098.1—2010的要求(≤15μm)。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/T3098.1—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)]。 

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/T4340.1—2009規定的脫碳層, 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/T699—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 栓裂紋擴展區表現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生了疲勞斷裂。

建議加強質量監控,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。同時適當地增大螺栓齒根的圓弧半徑,降低加 工表面粗糙度,以減少應力集中。 

參考文獻: 

[1] 袁代霞.電梯事故原因分析與預防措施研究[J].廣東 科技,2012,21(19):164-165. 

[2] 曹國洲,李國偉,肖 道 清.鋅 合 金 鑄 件 斷 裂 失 效 分 析 [J].熱加工工藝,2012,41(23):206-207. 

[3] 鮑獻華,丁二喜,張居光,等.電梯曳引機連接套筒與 蝸輪失效分析[J].中國特種設備安全,2012,28(1): 64-66. 

[4] 羅海軍,閆賓.電梯蝸輪蝸桿曳引機連接套筒失效分 析[J].中國電梯,2017(28):64-67. 

[5] 孫明正.地鐵轉向架連接螺栓斷裂原因[J].理化檢驗 (物理分冊),2021,57(8):58-60. 

[6] 羅海軍,閆賓,朱權利,等.擠壓鑄造鋅合金及固溶時 效的組織和性能[J].鑄造,2017,66(6):577-581.

[7] 馬成,王立輝,宋 月,等.汽 車 用 高 強 螺 栓 斷 裂 分 析 [J].天津冶金,2021(1):41-44.

<文章來源 >材料測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 7期 (pp:68-71)>