摘 要:某工地塔吊起重機鋼絲繩在施工過程中突然發生斷裂失效,采用宏觀檢測、化學成分分析、金相檢驗、硬度測試、掃描電鏡斷口分析等方法,對鋼絲繩斷裂原因進行了分析.結果表明:由于內層鋼絲表面潤滑劑和鋅系磷化膜遭到破壞,在微動磨損和腐蝕的作用下鋼絲繩的力學性能嚴重下降,在拉力的作用下鋼絲繩發生了一次性斷裂.

關鍵詞:鋼絲繩;斷裂;微動磨損;腐蝕;失效分析

中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０２１８Ｇ０４

鋼絲繩作為塔 吊 式 起 重 機 重 要 的 零 部 件,因其強度高、彈 性 大、纏 繞 性 好、無 噪 音、運 動 平 穩等特征,常 用 于 承 載 重 力. 但 其 屬 于 易 損 件,若在使用過程中鋼絲 繩 斷 裂,可 能 會 造 成 重 大 安 全事故[１].

某工地一塔吊起重機的鋼絲繩在施工過程中突然發生斷裂,使得吊斗掉落,掉落物質量約２t.對斷裂的鋼絲繩進行初步目視檢查,發現鋼絲繩共發生了兩次斷裂,整根鋼絲繩斷成３段.斷裂鋼絲繩產品結構為３５ W×７(３５股鋼絲繩,每股７絲),公稱直徑１４mm,抗拉強度１９６０MPa,截止到斷裂時使用時間約為１０個月.為查明斷裂失效原因,杜絕類似事故再發生,筆者對該斷裂鋼絲繩進行了一系列理化檢驗和分析。

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀檢驗

斷裂鋼絲繩的宏觀形貌如圖１所示,可見斷裂的鋼絲繩中間段具有兩個斷口,說明鋼絲繩發生過兩次斷裂.圖１所示的左側斷口整體形貌較為平整,右側斷口扭曲變形較大.一般而言,誘發斷裂的變形程度比首次斷裂斷口的變形程度要大得多,說明左側斷口為首斷斷口,右側斷口為二次斷口.首次斷裂是導致鋼絲繩失效的主要原因,二次斷裂多為誘發斷裂[２].

將首斷斷口解開,可見斷裂鋼絲呈臺階狀(最外層,次外層,內層)分布,見圖２.最外層和次外層鋼絲均存在明顯變形,內層鋼絲存在明顯的頸縮現象.

首斷斷口鋼絲內層嚴重發黑,次外層次之,外層最輕且其局部有金屬光澤.在解開鋼絲過程中,出現明顯的掉黑渣現象,黑渣形貌見圖３.內層鋼絲失去原有的彈性和剛性,彎折一次無回彈,再次彎折則發生斷裂,如圖４所示,次外層及外層鋼絲的彎折性能優于內層鋼絲的.二次斷口鋼絲繩形貌如圖 ５ 所示,可見鋼絲繩有明顯的扭曲變形,同時具有過載斷口形貌特征,二次斷口的鋼絲繩表面均具有金屬光澤,只局部存在輕微發暗跡象.鋼絲繩兩斷口之間局部位置存在多處明顯斷絲和磨損等現象,如圖６所示.

１．２ 化學成分分析

截取斷口處鋼絲繩,將鋼絲解散分開,清潔表面污垢后采用 Optima３０００DV 電感耦合等離子體發射光譜儀和 HFＧ２０００碳硫分析儀進行化學成分分析.鋼絲的化學成分分析結果見表１,可見鋼絲化學成分符合 GB/T６９９－２０１５技術要求.

１．３ 金相檢驗

在斷裂鋼絲繩首斷斷口附近截取橫截面試樣,經鑲嵌、打磨及拋光后用４％(體積分數)硝酸酒精溶液侵蝕,使AxioScopeA１光學顯微鏡進行觀察分析. 鋼 絲 繩 橫 截 面 顯 微 組 織 形 貌 見 圖 ７ 和圖８,可見內層及外層鋼絲表面均受到不同程度的損傷,其中內層鋼絲的受損傷程度較外層鋼絲的要嚴重;鋼絲顯微組織均為細小均勻的回火索氏體,內、外層鋼絲顯微組織無明顯差異[３].

１．４ 硬度測試

在斷裂鋼絲繩首斷口處截取試樣,經鑲嵌、打磨及拋光后,使用 DuraScanＧ２０顯微硬度計進行顯微硬度測試.測試沿鋼絲繩直徑方向從左到右貫穿鋼絲整個橫截面,測試結果見表２.結果表明內層鋼絲心部硬度稍高于邊部,但無明顯的差異.

１．５ 斷口分析

１．５．１ 首斷斷口

在斷裂鋼絲繩首斷口處截取內層鋼絲和外層鋼絲試樣,經清洗干燥后,置于 SUＧ１５００掃描電鏡內進行觀察分析.首斷斷口的內層鋼絲試樣的斷口低倍形貌見圖９,可見鋼絲表面及斷口附近均受到不同程度的擠壓、磨損等損傷.鋼絲繩斷口平齊且有明顯縮頸現象,斷頭呈錐形,為典型的拉伸斷口.斷口心部可見大量等軸韌窩,且韌窩周圍伴生二次裂紋[４],見圖１０.裂紋源位于鋼絲心部,然后裂紋迅速擴展,延伸至鋼絲的最外側.內層鋼絲表面形貌見圖１１,可見鋼絲表面存在大量凹凸不平的弧坑,弧坑底部平整致密,局部有龜裂現象.能譜分析結果顯示,弧坑表面成分以鐵的氧化物為主.

首斷斷口的外層鋼絲試樣的斷口形貌見圖１２,可見該股鋼絲繩以拉伸斷口為主,部分斷口表面受到嚴重的擠壓、磨損,這些損傷導致鋼絲局部嚴重變細.外層鋼絲表面形貌見圖１３,可見最外側部分表面形貌較為完整,里側部分表面則出現不同程度的損傷.能譜分析結果顯示較為完整鋼絲表面成分以鐵的氧化物為主,同時還含有少量的磷、鋅等元素.從而可以推斷出鋼絲繩表面原本有一層含有磷、鋅元素的氧化膜.鋼絲受到擠壓、磨損等損傷時,表面含有磷、鋅元素的氧化膜被破壞,鋼絲表面失去了保護,外部的空氣、水等中的腐蝕元素與鋼絲發生化學反應,造成鋼絲性能下降.

首斷斷口的外層鋼絲試樣的斷口形貌見圖１２,可見該股鋼絲繩以拉伸斷口為主,部分斷口表面受到嚴重的擠壓、磨損,這些損傷導致鋼絲局部嚴重變細.外層鋼絲表面形貌見圖１３,可見最外側部分表面形貌較為完整,里側部分表面則出現不同程度的損傷.能譜分析結果顯示較為完整鋼絲表面成分以鐵的氧化物為主,同時還含有少量的磷、鋅等元素.從而可以推斷出鋼絲繩表面原本有一層含有磷、鋅元素的氧化膜.鋼絲受到擠壓、磨損等損傷時,表面含有磷、鋅元素的氧化膜被破壞,鋼絲表面失去了保護,外部的空氣、水等中的腐蝕元素與鋼絲發生化學反應,造成鋼絲性能下降.

１．５．２ 二次斷口

在二次斷口處截取試樣,經清洗、干燥后,置于SUＧ１５００掃描電鏡內進行觀察分析.圖１４為二次斷口處鋼絲繩單根鋼絲斷口低倍形貌,圖１５為二次斷口處鋼絲繩單根鋼絲斷口中心部位的放大形貌.可見該斷口為典型的拉伸斷口,鋼絲斷口及斷口附近受到不同程度的彎曲變形、磨損、擠壓等損傷.表明二次斷口處鋼絲繩的內、外層鋼絲受到不同程度的損傷,是在大應力情況下造成的一次性斷裂.

２ 分析與討論

斷裂失效鋼絲繩的材料為６５鋼,符合鋼絲繩的選材要求.鋼絲繩顯微組織為細小均勻的回火索氏體,組織無明顯異常.首斷斷口內層鋼絲有整體頸縮特征,并且斷口齊平.首斷斷口的外層鋼絲存在嚴重腐蝕、擠壓變形、磨損等損傷,鋼絲繩性能已嚴重降低,失去了原有的彈性和剛性.通過能譜分析可知,首斷斷口內層鋼絲表面被腐蝕氧化物覆蓋,未見鋅、磷元素,而完好的鋼絲表面則存在鋅、磷元素,鋼絲表面經過鋅系磷化處理后形成的磷化膜具有疏松多孔的特征,有利于捻制成

繩前帶入更多的潤滑劑[５].鋼絲繩在起吊運行時,相鄰鋼絲之間相對微動.在潤滑劑缺失,磷化膜破壞時,內部鋼絲之間相對小振幅振動,產生微動腐蝕磨損.同時在濕度較大的環境中,由于水氣進入鋼縫隙腐蝕的能力,鎳元素是奧氏體形成元素,材料中鎳含量偏低會降低奧氏體的穩定性,導致加工時容易產生馬氏體相變,對耐蝕性能產生不利影響[１Ｇ２].

支撐板的斷口形貌表現出穿晶解理斷裂特征,并可見二次裂紋.支撐板表面可見大量點蝕凹坑,坑內充滿腐蝕產物,對凹坑中的腐蝕產物進行能譜分析,檢出含量高達２．８％(質量分數)的溴元素.奧氏體不銹鋼材料表面有一層致密的鈍化膜,因而具有良好的耐均勻腐蝕性能[３].若服役介質中含有 Cl－ ,Br－ ,ClO－４ 等腐蝕性陰離子,表面的鈍化膜易發生

點蝕[４].另可見具有分叉特征的穿晶裂紋起始于點蝕坑底部,根據裂紋位置及形態判斷,此開裂為應力腐蝕開裂.濾機濾網支撐板在加工和成型過程中產生的殘余應力以及安裝時殘留的裝配應力等都為發生應力腐蝕開裂提供了必要的應力條件[５Ｇ７].因此,推斷該裂紋屬于典型的奧氏體不銹鋼溴離子應力腐蝕開裂.電化學試驗也證明在含有 Br－ 的環境中,材料產生的馬氏體相變越多越容易發生點蝕.

３ 結論及建議

該濾網支撐板由于選材不規范,且殘余應力未消除,而后又接觸含有溴離子的過濾物,最終導致了典型的奧氏體不銹鋼溴離子應力腐蝕開裂.

建議合理選材,選擇含鉬且鎳元素含量較高的如３１７奧氏體不銹鋼材料,提高其耐腐蝕性能;在加工成型后應進行固溶處理,消除或降低材料的殘余應力;對使用環境進行檢測,確保過濾介質中的溴離子含量較低,以避免誘發溴離子應力腐蝕.