摘 要:某工地塔吊起重機(jī)鋼絲繩在施工過程中突然發(fā)生斷裂失效,采用宏觀檢測(cè)、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試、掃描電鏡斷口分析等方法,對(duì)鋼絲繩斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:由于內(nèi)層鋼絲表面潤(rùn)滑劑和鋅系磷化膜遭到破壞,在微動(dòng)磨損和腐蝕的作用下鋼絲繩的力學(xué)性能嚴(yán)重下降,在拉力的作用下鋼絲繩發(fā)生了一次性斷裂.

關(guān)鍵詞:鋼絲繩;斷裂;微動(dòng)磨損;腐蝕;失效分析

中圖分類號(hào):TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０２１８Ｇ０４

鋼絲繩作為塔 吊 式 起 重 機(jī) 重 要 的 零 部 件,因其強(qiáng)度高、彈 性 大、纏 繞 性 好、無 噪 音、運(yùn) 動(dòng) 平 穩(wěn)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(huì) 造 成 重 大 安 全事故[１].

某工地一塔吊起重機(jī)的鋼絲繩在施工過程中突然發(fā)生斷裂,使得吊斗掉落,掉落物質(zhì)量約２t.對(duì)斷裂的鋼絲繩進(jìn)行初步目視檢查,發(fā)現(xiàn)鋼絲繩共發(fā)生了兩次斷裂,整根鋼絲繩斷成３段.斷裂鋼絲繩產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為３５ W×７(３５股鋼絲繩,每股７絲),公稱直徑１４mm,抗拉強(qiáng)度１９６０MPa,截止到斷裂時(shí)使用時(shí)間約為１０個(gè)月.為查明斷裂失效原因,杜絕類似事故再發(fā)生,筆者對(duì)該斷裂鋼絲繩進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和分析。

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀檢驗(yàn)

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(gè)斷口,說明鋼絲繩發(fā)生過兩次斷裂.圖１所示的左側(cè)斷口整體形貌較為平整,右側(cè)斷口扭曲變形較大.一般而言,誘發(fā)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(cè)斷口為首斷斷口,右側(cè)斷口為二次斷口.首次斷裂是導(dǎo)致鋼絲繩失效的主要原因,二次斷裂多為誘發(fā)斷裂[２].

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

首斷斷口鋼絲內(nèi)層嚴(yán)重發(fā)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(xiàn)明顯的掉黑渣現(xiàn)象,黑渣形貌見圖３.內(nèi)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(fā)生斷裂,如圖４所示,次外層及外層鋼絲的彎折性能優(yōu)于內(nèi)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(shí)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(fā)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(xiàn)象,如圖６所示.

１．２ 化學(xué)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(fā)射光譜儀和 HFＧ２０００碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析.鋼絲的化學(xué)成分分析結(jié)果見表１,可見鋼絲化學(xué)成分符合 GB/T６９９－２０１５技術(shù)要求.

１．３ 金相檢驗(yàn)

在斷裂鋼絲繩首斷斷口附近截取橫截面試樣,經(jīng)鑲嵌、打磨及拋光后用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕,使AxioScopeA１光學(xué)顯微鏡進(jìn)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(nèi)層及外層鋼絲表面均受到不同程度的損傷,其中內(nèi)層鋼絲的受損傷程度較外層鋼絲的要嚴(yán)重;鋼絲顯微組織均為細(xì)小均勻的回火索氏體,內(nèi)、外層鋼絲顯微組織無明顯差異[３].

１．４ 硬度測(cè)試

在斷裂鋼絲繩首斷口處截取試樣,經(jīng)鑲嵌、打磨及拋光后,使用 DuraScanＧ２０顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試.測(cè)試沿鋼絲繩直徑方向從左到右貫穿鋼絲整個(gè)橫截面,測(cè)試結(jié)果見表２.結(jié)果表明內(nèi)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(nèi)層鋼絲和外層鋼絲試樣,經(jīng)清洗干燥后,置于 SUＧ１５００掃描電鏡內(nèi)進(jìn)行觀察分析.首斷斷口的內(nèi)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(xiàn)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(kuò)展,延伸至鋼絲的最外側(cè).內(nèi)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(xiàn)象.能譜分析結(jié)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?jǐn)嗫诒砻媸艿絿?yán)重的擠壓、磨損,這些損傷導(dǎo)致鋼絲局部嚴(yán)重變細(xì).外層鋼絲表面形貌見圖１３,可見最外側(cè)部分表面形貌較為完整,里側(cè)部分表面則出現(xiàn)不同程度的損傷.能譜分析結(jié)果顯示較為完整鋼絲表面成分以鐵的氧化物為主,同時(shí)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(shí),表面含有磷、鋅元素的氧化膜被破壞,鋼絲表面失去了保護(hù),外部的空氣、水等中的腐蝕元素與鋼絲發(fā)生化學(xué)反應(yīng),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?jǐn)嗫诒砻媸艿絿?yán)重的擠壓、磨損,這些損傷導(dǎo)致鋼絲局部嚴(yán)重變細(xì).外層鋼絲表面形貌見圖１３,可見最外側(cè)部分表面形貌較為完整,里側(cè)部分表面則出現(xiàn)不同程度的損傷.能譜分析結(jié)果顯示較為完整鋼絲表面成分以鐵的氧化物為主,同時(shí)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(shí),表面含有磷、鋅元素的氧化膜被破壞,鋼絲表面失去了保護(hù),外部的空氣、水等中的腐蝕元素與鋼絲發(fā)生化學(xué)反應(yīng),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(jīng)清洗、干燥后,置于SUＧ１５００掃描電鏡內(nèi)進(jìn)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(nèi)、外層鋼絲受到不同程度的損傷,是在大應(yīng)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(xì)小均勻的回火索氏體,組織無明顯異常.首斷斷口內(nèi)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(yán)重腐蝕、擠壓變形、磨損等損傷,鋼絲繩性能已嚴(yán)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(nèi)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(jīng)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(rùn)滑劑[５].鋼絲繩在起吊運(yùn)行時(shí),相鄰鋼絲之間相對(duì)微動(dòng).在潤(rùn)滑劑缺失,磷化膜破壞時(shí),內(nèi)部鋼絲之間相對(duì)小振幅振動(dòng),產(chǎn)生微動(dòng)腐蝕磨損.同時(shí)在濕度較大的環(huán)境中,由于水氣進(jìn)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(huì)降低奧氏體的穩(wěn)定性,導(dǎo)致加工時(shí)容易產(chǎn)生馬氏體相變,對(duì)耐蝕性能產(chǎn)生不利影響[１Ｇ２].

支撐板的斷口形貌表現(xiàn)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(diǎn)蝕凹坑,坑內(nèi)充滿腐蝕產(chǎn)物,對(duì)凹坑中的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,檢出含量高達(dá)２．８％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(zhì)中含有 Cl－ ,Br－ ,ClO－４ 等腐蝕性陰離子,表面的鈍化膜易發(fā)生

點(diǎn)蝕[４].另可見具有分叉特征的穿晶裂紋起始于點(diǎn)蝕坑底部,根據(jù)裂紋位置及形態(tài)判斷,此開裂為應(yīng)力腐蝕開裂.濾機(jī)濾網(wǎng)支撐板在加工和成型過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及安裝時(shí)殘留的裝配應(yīng)力等都為發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂提供了必要的應(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂.電化學(xué)試驗(yàn)也證明在含有 Br－ 的環(huán)境中,材料產(chǎn)生的馬氏體相變?cè)蕉嘣饺菀装l(fā)生點(diǎn)蝕.

３ 結(jié)論及建議

該濾網(wǎng)支撐板由于選材不規(guī)范,且殘余應(yīng)力未消除,而后又接觸含有溴離子的過濾物,最終導(dǎo)致了典型的奧氏體不銹鋼溴離子應(yīng)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(yīng)進(jìn)行固溶處理,消除或降低材料的殘余應(yīng)力;對(duì)使用環(huán)境進(jìn)行檢測(cè),確保過濾介質(zhì)中的溴離子含量較低,以避免誘發(fā)溴離子應(yīng)力腐蝕.