试样或构件断裂后形成的断面称为断口。断口上详细记录了断裂过程中内外因素的变化所留下的痕迹与特征, 是分析断裂过程和机理的重要依据[1]。因此断口分析是失效分析中的一个极其重要的手段。
典型的疲劳破坏断口有3个区域, 按照断裂的过程来分, 依次是疲劳源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区[2]。其中疲劳源是疲劳破坏的起点。裂纹扩展是疲劳源在力的作用下扩张、长大的过程。由于疲劳裂纹不断扩展, 使试样或构件的有效断面逐渐减小, 应力不断增加, 导致瞬时断裂, 最后断裂区也称为瞬时断裂区。
2 油箱拉带断裂原因分析
2.1 现场勘验情况
1) 发生油箱拉带断裂的载货汽车停放于内蒙古呼和浩特市某处大院内。该载货汽车柴油箱安装于车辆右侧中前部车架, 无其他托架及防护网 (见图1) 。
该油箱的直径为700mm, 长度为890mm。油箱盖、延伸管、传感器已掉落, 油箱油口处有凹陷现象 (见图2) 。
2) 油箱拉带呈弧状, 无变形, 油箱前后拉带上部挂环后耳断裂 (见图3) 。油箱拉带厚度 (带漆皮) 1.35mm, 宽度75mm。根据油箱拉带的印痕, 可以看出油箱拉带安装位置距油箱两端距离分别为150mm和100mm。
2.2 油箱拉带技术指标
载货汽车厂提供断裂油箱拉带的技术要求
1) A08M-23.1-2004《冷轧钢板及钢带技术条件第1部分:冷冲压用钢板及钢带》。
2) 拉带技术图纸 (δ1.5 St12) 。
2.3 油箱拉带检验情况
1) 根据油箱拉带技术图纸 (δ1.5 St12) , 油箱拉带材质牌号应为St12, 油箱拉带厚度应为1.5mm。
2) 对货车油箱拉带进行检验, 检验情况如下:
(1) 检验依据:油箱拉带的技术要求A08M-23.1-2004《冷轧钢板及钢带技术条件第1部分:冷冲压用钢板及钢带》。
(2) 检验项目:厚度、力学性能。
(3) 检验结果。
2.4 金相分析及宏观断口形貌观察分析
将油箱拉带断口分别制成A、B试样 (见图4) , 进行金相分析及宏观断口形貌观察分析。
2.4.1 金相分析
金相分析是一种利用金相显微镜研究金属和合金内部组织及缺陷的重要方法[3]。将A、B试样去掉边缘变形部位, 进行磨制/抛光、腐蚀, 在光学显微镜下观察。观察结果:金相组织为铁素体+球状珠光体, 正常球化退火组织[4] (见图5) 。
2.4.2 宏观断口形貌观察分析
通过体式镜放大20倍和50倍, 分别观察A、B试样断口 (见附件图6~11) 。A试样代表的钢带断裂时起源于钢带边缘 (见附件图6、7、8) 。从图7中明显观察到裂纹扩展条纹, 条纹的收敛端位于钢带边缘 (见图7箭头所指位置) [5]。
2.5 分析说明
1) 从检验结果来看, 力学性能基本符合材质牌号为St12的要求。但厚度不符合要求, 油箱拉带的强度明显降低。
2) 从宏观断口形貌来看, 钢带断裂时起源于钢带边缘, 裂纹逐渐扩展导致钢带断裂。
3) 钢带经剪切而成, 边缘部位粗糙且存有微裂纹。
4) 货车在行驶过程中, 油箱拉带由于没有锁紧装置, 受力更为严重。现场勘验表明, 受力主要集中在拉带吊耳处, 该处是承受力最薄弱处, 而且拉带吊耳处边缘部位粗糙, 存有微裂纹, 加之厚度达不到技术要求, 强度明显降低, 使裂纹逐渐扩展最终导致拉带断裂。
3 结论
根据现场勘验情况, 利用金属断口分析技术对油箱拉带断口进行分析, 得出油箱拉带断裂的原因, 即油箱拉带在制造过程中经剪切而成, 其吊耳处边缘部位粗糙且存有微裂纹, 再加上厚度达不到要求, 强度明显降低, 不断承受作用力使裂纹逐渐扩展导致拉带断裂, 油箱拉带断裂属产品制造质量缺陷所致。
摘要：某载货汽车在实际使用过程中发生了油箱拉带断裂的现象, 从而造成油箱脱落, 导致严重的车毁人亡交通事故。利用金属断口分析技术对油箱拉带的断口进行金相分析和宏观断口形貌分析, 并结合油箱拉带的制造技术要求, 从而得出油箱拉带断裂的原因。油箱拉带在制造过程中经剪切而成, 其吊耳处边缘部位粗糙且存有微裂纹, 再加上厚度达不到要求, 强度明显降低, 不断承受作用力使裂纹逐渐扩展导致拉带断裂, 油箱拉带断裂属产品制造质量缺陷所致。
关键词：油箱拉带,金属断口分析,金相分析,宏观断口
参考文献
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[3]赵峰.金属材料检测技术[M].长沙:中南大学出版社, 2007:63-74.
[4]王淳浩, 梅冰松, 来剑戈, 等.断口宏观分析技术在道路交通事故检验鉴定中的应用[J].警察技术, 2011, 3:53-55.
伴随着造船业蓬勃发展对高强度、高冲击韧性钢板需求的增加, 钢中添加铝、铌微合金化的高端、高附加值船板钢应运而生。但由于高强度船板钢在物理性能上的要求严格, 因此在生产中时常发生拉伸试样断口不合格的问题, 产品被迫向低一级的钢种改判。在目前按照订单组织生产的模式下, 对于断口不合格而改判的炉次需要重新进行补炼、补轧, 严重影响正常的生产秩序和产品交货期。
本文结合安钢第一炼轧厂炼钢—连铸工序的生产情况, 利用相应的检测手段对断口不合格试样进行了检测分析和与生产工艺参数的比照, 找出了在生产工艺控制中存在的问题, 并采取了相应的改进措施, 使得高强船板钢的检验合格率得到提高。
2 试样检验及分析
对拉伸检验中存在断口不合格的试样进行取样硫印检测。在试样断口处分别取横、纵向金相试样, 分析试样断口处的组织结构、夹杂物状况和显微组织。取铸坯低倍试样观察试样内部存在的问题。
2.1 断口不合格试样形貌
观察断口不合格的试样, 在宏观形貌上存在以下缺陷:大部分试样成脆性断裂, 试样断口处无明显的“颈缩”现象;断口在厚度方向的中心部位存在严重分层, 对部分试样进行热酸洗后在厚度方向的1/4处存在微裂纹;断口中心处颜色呈灰白色、无金属光泽、与周围基体颜色存在明显差别。断口形貌见图1。
2.2 硫印检测
把不合格试样的断口处机加工成合乎要求的光洁度并进行硫印检测, 检测表明在钢板厚度方向上的中心处存在明显的硫化物偏析和疏松缺陷。
2.3 试样断口金相检测
对试样断口做纵、横向金相观察, 发现试样中心的金相组织是由铁素体加珠光体加贝氏体组成的异常组织, 见图2。中心处有明显的带状偏析, 见图3。对断口中心分层处进行放大观察, 中心部分存在硫化物夹杂物的偏聚, 其在轧制过程中沿轧制方向被拉伸, 见图4。
3 试样分析讨论
连铸坯的中心偏析是钢水在凝固过程中流动传热和溶质再分配的结果[1]。在连铸坯凝固过程中, 发达的柱状晶体不断长大和向中心推移, 会把易发生偏析的C、P、S等元素和其形成的化合物杂质“赶”向液芯中心, 使得铸坯中心最后凝固的钢水富含C、P、S等溶质元素。同时, 在浇铸时过高的钢水过热度和高拉速, 以及连铸机辊列开口度的偏差造成的坯壳“鼓肚”引起的负压“抽吸”作用, 使富集了溶质元素的钢液被吸入铸坯中心等, 在一定程度上也使得偏析加重。
条状的硫化物夹杂在试样受到拉伸外力时, 起到了裂纹源的作用。由于夹杂物破坏了基体的连续性, 在外力作用下, 夹杂物周围产生应力集中而引起塑性变形, 使得夹杂物周围产生大量的位错环, 当位错环在外力作用下到达夹杂物和基体的界面时, 界面分离形成微孔。由于微孔的形成, 使后面的位错环受到的排斥力大大降低。另一方面, 新产生的位错环又源源不断地推向微孔, 使微孔侧向做迅速不稳定的扩展和聚合, 使得宏观上表现出形成裂纹[1]。同时, 硫化物夹杂的尺寸越大, 其所影响产生的位错也越多、越长, 微孔就形成得越早, 长大速度也越快。
试样中心的异常组织和周围的铁素体组织在抗塑性变形能力和热膨胀系数上存在较大的差异, 塑性差的贝氏体组织严重阻碍了铁素体区的变形, 容易在贝氏体中产生应力集中。在贝氏体内部和周围沿轧制方向分布的未轧合格的疏松孔洞以及硫化物夹杂引起的微裂纹产生的缺口效应等, 随着应力的增加, 裂纹逐渐扩大、联合, 最终形成宏观裂纹。试样中心贝氏体组织塑性变形小, 周围的铁素体组织塑性变形大, 因而形成了断口处观察到的宏观开裂分层状态[2]。
从生产工艺情况分析看, 由于产量要求的提高, 为保证铸机的连浇, 钢水在精炼末期钢包吹氩弱搅拌时间得不到充分的保证, 从而使得夹杂物得不到充分的上浮而存留在钢水中。由于钢水中加Al后对铸坯表面裂纹敏感性的增强, 连铸二冷配水为保证铸坯表面不产生横裂纹而执行了相对较弱的冷却制度, 从而加剧了铸坯的偏析和疏松。如果连铸机的对弧度存在较大的偏差, 那么铸坯带液芯矫直时拉伸力作用在凝固界面。由于杂质元素的存在作用, 造成柱状晶沿晶界面开裂, 然后浓化的含C、S、P等杂质元素的钢液填充到这些开裂的缝隙中去, 同时低熔点FeS (MnS) 也使树枝晶间的液膜凝固点降低, 故晶粒间液相量增。大部分微小矫直裂纹在轧制过程中能够得到“焊合”, 而对于富集了偏析元素严重的裂纹在轧制过程中得不到“焊合”而以分层的形式存在于钢板中。
4 改进措施
从以上分析可知, 造成试样断口不合格的主要原因是:钢水中夹杂物的含量和尺寸的大小;高的钢水过热度和拉速以及相对较弱的二次冷却制度对偏析的影响;连铸机辊列的精确对中和开口度对内部裂纹和铸坯鼓肚的影响。依据分析, 我们厂在生产中采取了以下措施。
炼钢炉前出钢C含量在一定程度上代表着钢中氧含量的多少, 因此要保证出钢C含量达到工艺要求, 避免钢水过氧化严重。严禁出钢下渣, 防止钢水回磷。精炼过程要提高造“白渣”的效果, 后期钢水内喂入一定数量的钙线对夹杂物进行变性处理, 要求精炼末期进行弱吹氩时间大于5分钟, 充分保证夹杂物的上浮去除, 提高钢水的纯净度。连铸采取低过热度 (15～25℃) 浇铸, 降低生长发达的柱状晶区比例, 扩大铸坯中心等轴晶区域的比例。连铸全程采取无氧化保护浇铸, 防止钢水吸氧增加钢中夹杂物的含量。采用结晶器液面自动控制, 防止钢水卷渣而形成新的夹杂物进入铸坯中。利用DYNACS二冷配水模型的先进性对生产高强船板钢的二冷配水进行优化, 在凝固末端采用强冷制度, 促使末端快速凝固, 扩大铸坯芯部等轴晶的比例。浇注速度推行相对恒拉速浇铸的理念, 相对普通低合金钢在拉速上降低0.1m/min。加强连铸关键设备的维护, 保证连铸机的对弧精度和辊缝开口度偏差控制在±0.3mm之内, 减少辊间铸坯鼓肚和对中误差造成的矫直内裂纹和偏析加重。加大对铸坯低倍的检验频次, 发现问题及时进行检修解决。
5 实施效果
由于钢水中夹杂物的含量得到控制和连铸机关键设备的维护到位, 使得铸坯内部裂纹得到解决。采用的末端强冷技术和低过热度、恒拉速浇铸模式, 使得中心偏析减轻;高强度船板钢的断口合格率由90%稳步提高到95%左右, 改判率得到降低。
工艺改进后, 安钢第一炼轧厂生产高强船板的产量比例逐月提升, 为公司创造了可观的利润, 客户对产品的满意度也得到了大幅的提高。
参考文献
[1]赵坚, 赵琳.优质钢缺陷[M].北京:冶金工业出版社, 1991.
关键词：耳片 疲劳断裂 断口分析 裂纹扩展
该文对某型飞机耳片结构进行断口宏观与微观观察、能谱分析和断口定量分析，结合耳片硬度、金相组织、低倍流线和化学成分的检测结果，确定了耳片结构的开裂性质，计算反推出了裂纹的扩展寿命和萌生寿命。
1 试验简介
需对某型飞机耳片结构（2024-T351铝合金材料）分别进行疲劳试验和裂纹扩展试验。进行疲劳试验前，已对该耳片结构进行了缺口预制（共两处，均为角裂纹形状，且尺寸相同）如图1所示，目的是通过疲劳试验，在预制缺口尖端出现约1 mm可见疲劳裂纹，之后再进行裂纹扩展试验。
将耳片结构如图2所示进行安装固定，采用应力比R=0.1等幅谱，按如图1所示加载方向进行疲劳试验。经过45 000次疲劳试验后，耳片1开裂，耳片2未出裂纹，如图3所示。
2 斷口分析
2.1 断口宏、微观观察
将耳片1裂纹人为打开，断口宏观形貌见图4（a），源区位于缺口处，呈线源，整个裂纹断面平坦，裂纹从缺口起始后沿耳片孔宽度和厚度方向同时扩展，即裂纹沿着断面斜对角方向扩展，疲劳扩展区约占整个断面面积的90%。源区放大后未见冶金缺陷，见图4（b）。
2.2 断口定量分析
该文采用疲劳条带作为定量分析参量，从疲劳源区开始对扩展区内的疲劳条带进行测定，每个测定点及其附近区域测量三次，取平均值作为该处的疲劳条带间距，即疲劳裂纹扩展速率，测定结果见表1。采用列表梯形法（见公式1）计算疲劳扩展寿命，列入表1中Ni。由表1可得：耳片从距源区0.01～17.85 mm范围内的疲劳扩展寿命为33 283循环周次。
式（1）中：an为第n点距离源区的裂纹长度，an-1为第n-1点距离源区的裂纹长度，da/dN为裂纹扩展速率。
总的试验循环为45 000循环周次，通过断口定量分析，可知耳片裂纹扩展寿命为33 283循环周次，则裂纹萌生寿命为11 717循环周次。
2.3 低倍流线检查
在耳片裂纹附近按如图5所示分别制取3个方向的金相试样，磨制抛光低倍腐蚀后进行低倍流线观察。从观察结果可知，1#取样为LT方向，2#取样为LS方向，3#取样为TS方向，由此可知，耳片的L、T、S方向分别对应接头的长度、宽度和厚度方向（见图6）。
2.4 金相组织检查
对耳片不同方向下制取金相试样，磨制抛光后进行金相组织观察，耳片的金相组织为α-Al和粗大质点相，3个方向金相组织分别见图7（a）～7（c）。
2.5 硬度测定
分别在耳片的L、T、S方向制取硬度试样，磨制抛光后进行维氏硬度测试，结果见表2。由表2可知，耳片3个方向的硬度值均符合技术要求。
2.6 化学成分分析
通过对耳片人为打开断口进行能谱分析和试末法化学成分检测，测试结果见表3。由表3可知，能谱分析结果中Cu元素高于技术要求，试末法测试结果表明耳片化学成分符合2024-T351铝合金技术要求。
3 结语
3.1 失效性质分析
耳片1存在裂纹，裂纹起源于缺口处，沿着耳片的宽度和厚度方向同时疲劳扩展，断面上可见大量的细密疲劳条带，由此判断耳片的失效性质为疲劳断裂。
3.2 材质分析
耳片化学成分符合2024-T351铝合金技术要求；耳片的低倍流线L、T、S方向与材料取向方向一致；耳片的高倍金相组织未见明显异常；耳片3个方向的硬度值均符合技术要求。由此可知，耳片的材质和加工方向符合技术要求。
3.3 裂纹扩展寿命反推分析
通过断口定量分析反推，可知耳片的裂纹扩展寿命为33 283循环周次，萌生寿命为11 717循环周次。
参考文献
[1]赵荣国，罗希延，蒋永洲，等.航空发动机涡轮轮盘用GH4133B合金疲劳损伤与断口分析[J].机械工程学报，2011，47（6）：92-100.