摘 要:某工地塔吊起重机钢丝绳在施工过程中突然发生断裂失效,采用宏观检测、化学成分分析、金相检验、硬度测试、扫描电镜断口分析等方法,对钢丝绳断裂原因进行了分析.结果表明:由于内层钢丝表面润滑剂和锌系磷化膜遭到破坏,在微动磨损和腐蚀的作用下钢丝绳的力学性能严重下降,在拉力的作用下钢丝绳发生了一次性断裂.
关键词:钢丝绳;断裂;微动磨损;腐蚀;失效分析
中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０２１８Ｇ０４
钢丝绳作为塔 吊 式 起 重 机 重 要 的 零 部 件,因其强度高、弹 性 大、缠 绕 性 好、无 噪 音、运 动 平 稳等特征,常 用 于 承 载 重 力. 但 其 属 于 易 损 件,若在使用过程中钢丝 绳 断 裂,可 能 会 造 成 重 大 安 全事故[１].
某工地一塔吊起重机的钢丝绳在施工过程中突然发生断裂,使得吊斗掉落,掉落物质量约２t.对断裂的钢丝绳进行初步目视检查,发现钢丝绳共发生了两次断裂,整根钢丝绳断成３段.断裂钢丝绳产品结构为３５ W×７(３５股钢丝绳,每股７丝),公称直径１４mm,抗拉强度１９６０MPa,截止到断裂时使用时间约为１０个月.为查明断裂失效原因,杜绝类似事故再发生,笔者对该断裂钢丝绳进行了一系列理化检验和分析。
１ 理化检验
１．１ 宏观检验
断裂钢丝绳的宏观形貌如图１所示,可见断裂的钢丝绳中间段具有两个断口,说明钢丝绳发生过两次断裂.图１所示的左侧断口整体形貌较为平整,右侧断口扭曲变形较大.一般而言,诱发断裂的变形程度比首次断裂断口的变形程度要大得多,说明左侧断口为首断断口,右侧断口为二次断口.首次断裂是导致钢丝绳失效的主要原因,二次断裂多为诱发断裂[２].
将首断断口解开,可见断裂钢丝呈台阶状(最外层,次外层,内层)分布,见图２.最外层和次外层钢丝均存在明显变形,内层钢丝存在明显的颈缩现象.
首断断口钢丝内层严重发黑,次外层次之,外层最轻且其局部有金属光泽.在解开钢丝过程中,出现明显的掉黑渣现象,黑渣形貌见图３.内层钢丝失去原有的弹性和刚性,弯折一次无回弹,再次弯折则发生断裂,如图４所示,次外层及外层钢丝的弯折性能优于内层钢丝的.二次断口钢丝绳形貌如图 ５ 所示,可见钢丝绳有明显的扭曲变形,同时具有过载断口形貌特征,二次断口的钢丝绳表面均具有金属光泽,只局部存在轻微发暗迹象.钢丝绳两断口之间局部位置存在多处明显断丝和磨损等现象,如图６所示.
１．２ 化学成分分析
截取断口处钢丝绳,将钢丝解散分开,清洁表面污垢后采用 Optima３０００DV 电感耦合等离子体发射光谱仪和 HFＧ２０００碳硫分析仪进行化学成分分析.钢丝的化学成分分析结果见表１,可见钢丝化学成分符合 GB/T６９９－２０１５技术要求.
１．３ 金相检验
在断裂钢丝绳首断断口附近截取横截面试样,经镶嵌、打磨及抛光后用４％(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀,使AxioScopeA１光学显微镜进行观察分析. 钢 丝 绳 横 截 面 显 微 组 织 形 貌 见 图 ７ 和图８,可见内层及外层钢丝表面均受到不同程度的损伤,其中内层钢丝的受损伤程度较外层钢丝的要严重;钢丝显微组织均为细小均匀的回火索氏体,内、外层钢丝显微组织无明显差异[３].
１．４ 硬度测试
在断裂钢丝绳首断口处截取试样,经镶嵌、打磨及抛光后,使用 DuraScanＧ２０显微硬度计进行显微硬度测试.测试沿钢丝绳直径方向从左到右贯穿钢丝整个横截面,测试结果见表２.结果表明内层钢丝心部硬度稍高于边部,但无明显的差异.
１．５ 断口分析
１．５．１ 首断断口
在断裂钢丝绳首断口处截取内层钢丝和外层钢丝试样,经清洗干燥后,置于 SUＧ１５００扫描电镜内进行观察分析.首断断口的内层钢丝试样的断口低倍形貌见图９,可见钢丝表面及断口附近均受到不同程度的挤压、磨损等损伤.钢丝绳断口平齐且有明显缩颈现象,断头呈锥形,为典型的拉伸断口.断口心部可见大量等轴韧窝,且韧窝周围伴生二次裂纹[４],见图１０.裂纹源位于钢丝心部,然后裂纹迅速扩展,延伸至钢丝的最外侧.内层钢丝表面形貌见图１１,可见钢丝表面存在大量凹凸不平的弧坑,弧坑底部平整致密,局部有龟裂现象.能谱分析结果显示,弧坑表面成分以铁的氧化物为主.
首断断口的外层钢丝试样的断口形貌见图１２,可见该股钢丝绳以拉伸断口为主,部分断口表面受到严重的挤压、磨损,这些损伤导致钢丝局部严重变细.外层钢丝表面形貌见图１３,可见最外侧部分表面形貌较为完整,里侧部分表面则出现不同程度的损伤.能谱分析结果显示较为完整钢丝表面成分以铁的氧化物为主,同时还含有少量的磷、锌等元素.从而可以推断出钢丝绳表面原本有一层含有磷、锌元素的氧化膜.钢丝受到挤压、磨损等损伤时,表面含有磷、锌元素的氧化膜被破坏,钢丝表面失去了保护,外部的空气、水等中的腐蚀元素与钢丝发生化学反应,造成钢丝性能下降.
首断断口的外层钢丝试样的断口形貌见图１２,可见该股钢丝绳以拉伸断口为主,部分断口表面受到严重的挤压、磨损,这些损伤导致钢丝局部严重变细.外层钢丝表面形貌见图１３,可见最外侧部分表面形貌较为完整,里侧部分表面则出现不同程度的损伤.能谱分析结果显示较为完整钢丝表面成分以铁的氧化物为主,同时还含有少量的磷、锌等元素.从而可以推断出钢丝绳表面原本有一层含有磷、锌元素的氧化膜.钢丝受到挤压、磨损等损伤时,表面含有磷、锌元素的氧化膜被破坏,钢丝表面失去了保护,外部的空气、水等中的腐蚀元素与钢丝发生化学反应,造成钢丝性能下降.
１．５．２ 二次断口
在二次断口处截取试样,经清洗、干燥后,置于SUＧ１５００扫描电镜内进行观察分析.图１４为二次断口处钢丝绳单根钢丝断口低倍形貌,图１５为二次断口处钢丝绳单根钢丝断口中心部位的放大形貌.可见该断口为典型的拉伸断口,钢丝断口及断口附近受到不同程度的弯曲变形、磨损、挤压等损伤.表明二次断口处钢丝绳的内、外层钢丝受到不同程度的损伤,是在大应力情况下造成的一次性断裂.
２ 分析与讨论
断裂失效钢丝绳的材料为６５钢,符合钢丝绳的选材要求.钢丝绳显微组织为细小均匀的回火索氏体,组织无明显异常.首断断口内层钢丝有整体颈缩特征,并且断口齐平.首断断口的外层钢丝存在严重腐蚀、挤压变形、磨损等损伤,钢丝绳性能已严重降低,失去了原有的弹性和刚性.通过能谱分析可知,首断断口内层钢丝表面被腐蚀氧化物覆盖,未见锌、磷元素,而完好的钢丝表面则存在锌、磷元素,钢丝表面经过锌系磷化处理后形成的磷化膜具有疏松多孔的特征,有利于捻制成
绳前带入更多的润滑剂[５].钢丝绳在起吊运行时,相邻钢丝之间相对微动.在润滑剂缺失,磷化膜破坏时,内部钢丝之间相对小振幅振动,产生微动腐蚀磨损.同时在湿度较大的环境中,由于水气进入钢缝隙腐蚀的能力,镍元素是奥氏体形成元素,材料中镍含量偏低会降低奥氏体的稳定性,导致加工时容易产生马氏体相变,对耐蚀性能产生不利影响[１Ｇ２].
支撑板的断口形貌表现出穿晶解理断裂特征,并可见二次裂纹.支撑板表面可见大量点蚀凹坑,坑内充满腐蚀产物,对凹坑中的腐蚀产物进行能谱分析,检出含量高达２．８％(质量分数)的溴元素.奥氏体不锈钢材料表面有一层致密的钝化膜,因而具有良好的耐均匀腐蚀性能[３].若服役介质中含有 Cl－ ,Br－ ,ClO－４ 等腐蚀性阴离子,表面的钝化膜易发生
点蚀[４].另可见具有分叉特征的穿晶裂纹起始于点蚀坑底部,根据裂纹位置及形态判断,此开裂为应力腐蚀开裂.滤机滤网支撑板在加工和成型过程中产生的残余应力以及安装时残留的装配应力等都为发生应力腐蚀开裂提供了必要的应力条件[５Ｇ７].因此,推断该裂纹属于典型的奥氏体不锈钢溴离子应力腐蚀开裂.电化学试验也证明在含有 Br－ 的环境中,材料产生的马氏体相变越多越容易发生点蚀.
３ 结论及建议
该滤网支撑板由于选材不规范,且残余应力未消除,而后又接触含有溴离子的过滤物,最终导致了典型的奥氏体不锈钢溴离子应力腐蚀开裂.
建议合理选材,选择含钼且镍元素含量较高的如３１７奥氏体不锈钢材料,提高其耐腐蚀性能;在加工成型后应进行固溶处理,消除或降低材料的残余应力;对使用环境进行检测,确保过滤介质中的溴离子含量较低,以避免诱发溴离子应力腐蚀.