四、斷裂事故案例分析
1、材料缺陷引起的 10t 吊秤下連接件連接螺釘斷裂連接螺釘為 M36，材料為 40Cr鍛 件 ， 熱 處 理 狀 態(tài) 為 調(diào) 質(zhì) ， 硬 度HRC28—32。斷 裂 螺 釘 的 金 相 見 圖 1。 對 照GB3077-1999 合金結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)可以看出，所用材料夾雜大小明顯超過標(biāo)準(zhǔn)。這類較大的夾雜對材料力學(xué)性能的影響主要是降低材料的塑性、韌性和疲勞性能，特別是在高強(qiáng)鋼內(nèi)部，這類夾雜形成的應(yīng)力集中在較低的應(yīng)力水平下也能形成裂紋！而裂紋一旦出現(xiàn)，就會迅速擴(kuò)大，zui終導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。此外，該材料還有比較明顯的偏析，也降低了材料強(qiáng)度。在另一起類似事故中，我們發(fā)現(xiàn)金相組織中有魏氏體存在。魏氏體的存在使鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性都大幅度降低，尤其是對沖擊韌性影響zui大，甚至降低 50—70%。所以在比較重要的產(chǎn)品中是不允許魏氏體存在的。
2、偏大的吊鉤導(dǎo)致的 10t 吊秤下連接件連接螺桿斷裂
這是一個與吊秤機(jī)械結(jié)構(gòu)和使用都有關(guān)的問題。吊秤的機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖 2。結(jié)構(gòu)的上部使用的是吊環(huán)螺釘。盡管用戶聲稱實(shí)際稱重量從未超過 10t，但還是發(fā)生了斷裂事故。經(jīng)過觀察事故吊秤，發(fā)現(xiàn)螺桿系疲勞斷裂。疲勞源左右對稱，但是裂紋擴(kuò)展區(qū)并不對稱，斷裂區(qū)約為整個截面的三分之一。斷口初步觀察表明，斷裂區(qū)面積較小，斷面致密，說明材料質(zhì)量和熱處理狀態(tài)基本正常。螺桿受到了彎矩作用，才是導(dǎo)致斷裂的主要原因。問題在于，彎矩何來？進(jìn)一步仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，吊環(huán)螺釘內(nèi)環(huán)面上方有兩處明顯的壓痕，疑是與吊鉤的接觸壓痕。壓痕距吊環(huán)的中心線比較遠(yuǎn)，經(jīng)與用戶溝通，該秤常在在一臺 15t 的吊車上使用。也就是說，吊鉤尺寸較大而吊環(huán)相對較小。在兩者的接觸處，吊鉤的曲率半徑大于吊環(huán)的曲率半徑，所以就有了兩個接觸點(diǎn)。這就使得吊環(huán)螺釘受力以后不容易自動找到鉛垂位置，容易形成圖二所示的情形。在這種情況下，螺紋在受到拉力的同時，又經(jīng)常受到一個附加彎矩的的作用，也可以說，螺紋是因為承受的是大小不確定，但是方向確定的偏心載荷而zui終導(dǎo)致斷裂。
3、C 型吊鉤直接連接下拉頭導(dǎo)致傳感器螺紋斷裂這是一家金屬制品廠的技改項目，于鋼卷的搬運(yùn)。額定起重量為 20t，實(shí)際起重量連 C 型吊鉤總共 18t 左右。使用不到一年時間，傳感器螺紋處斷裂。經(jīng)了解該廠起重操作規(guī)范，不存在操作失誤。而傳感器是用 40CrNiMoA 制造，熱處理規(guī)范，螺紋直徑 M52X3，似乎也不應(yīng)該發(fā)生這樣的事故。只好請金屬材料檢測中心做斷口分析。分析表明，傳感器材料的金相組織以及機(jī)械性能基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，沒有發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致斷裂的缺陷。斷口形態(tài)屬疲勞破壞，左右兩個疲勞源，大體在對稱位置，疲勞擴(kuò)展區(qū)占了斷面三分之二以上。zui后斷裂區(qū)電子顯微鏡掃描顯示韌窩，屬韌性斷裂。但 是 斷 口 分 析 不 能 說 明 彎 矩 是 怎樣產(chǎn)生的所以還得從結(jié)構(gòu)上找原因。原設(shè)計結(jié)構(gòu)簡圖見圖 4。與我們通常的電子吊秤不同的是，C 型吊鉤直接通過軸銷與下拉頭相連接，而不是把 C 型吊鉤掛在電子吊秤的吊鉤上。我們知道，在起重作業(yè)過程中，重物通常要作上下、左右、前后運(yùn)動，有勻速運(yùn)動，也要有加速、減速運(yùn)動。電子吊秤除了承受重物的重量外，不可避免地受到各個方向的附加慣性力。這些附加力有多少會傳到傳感器上，取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)中，下軸銷方向的附加慣性力不可避免地會傳到傳感器上，使傳感器的螺紋受到彎矩作用。
這一分析后來又為另一起類似結(jié)構(gòu)吊秤的斷裂事故證實(shí)，斷口形態(tài)也極為相似。本案中傳感器的螺紋保證載荷高達(dá) 150t，然而僅在不到 20t 的重物作用下斷了。關(guān)鍵的問題是重物在水平方向運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力直接作用到螺紋上，該慣性力與保證載荷的方向垂直，對螺桿而言是一個彎矩。在這個彎矩和重力載荷的反復(fù)作用下，zui終發(fā)生疲勞破壞。有關(guān)教科書中在談到螺紋聯(lián)結(jié)的抗疲勞設(shè)計時提到，“在涉及抗疲勞設(shè)計時，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是結(jié)構(gòu)接頭的疲勞特征，而不是它的靜強(qiáng)度。” 這也是我們在設(shè)計時應(yīng)該加以注意的。只要注意到了，也就是可以防范了。
