鋼絲繩索具用閉式索節(jié)斷裂失效分析
索節(jié)又稱澆鑄接頭，是一種裝在鋼絲繩索具末端的連接端件，一端的內(nèi)部為空心圓錐體，用以插入發(fā)散后的鋼絲繩繩端，然后用合金或樹脂澆鑄熔接，另一端用來連接卸扣、銷軸等，并以此分為兩種主要結(jié)構(gòu)，即閉式索節(jié)和開式索節(jié)，分別見圖1、2。索節(jié)由于形狀特殊，通常使用鍛造或鑄造的工藝來進(jìn)行加工制作。由于鋼絲繩本身的強(qiáng)度較高，為了達(dá)到良好的使用效果，索節(jié)應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。
本文分析的閉式索節(jié)材質(zhì)為合金結(jié)構(gòu)鋼，生產(chǎn)工藝為鑄造-機(jī)械加工-調(diào)質(zhì)處理。該索節(jié)斷裂失效案例發(fā)生在國內(nèi)某專業(yè)從事鋼絲繩試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室，失效發(fā)生時(shí)正在進(jìn)行52mm的鋼絲繩整繩破斷拉力試驗(yàn)，試驗(yàn)采用4000kN臥式拉力試驗(yàn)機(jī)，預(yù)計(jì)破斷拉力在2200kN左右，鋼絲繩端部用進(jìn)口樹脂澆鑄在如圖1的閉式索節(jié)內(nèi)部，然后使用卸扣與拉力試驗(yàn)機(jī)相連。當(dāng)試驗(yàn)拉力進(jìn)行到2000kN左右時(shí)，索節(jié)突然斷裂并飛出保護(hù)罩網(wǎng)，十分危險(xiǎn)。由于實(shí)驗(yàn)室操作人員經(jīng)驗(yàn)較為豐富，在試驗(yàn)前做了保護(hù)工作，未造成人身傷害和大的損失。
1理化性能檢驗(yàn)及結(jié)果
1理化性能檢驗(yàn)及結(jié)果
1.1宏觀斷口形貌
索節(jié)失效后，斷裂為幾段，取其中一段觀察，兩端的斷口形貌均為平斷口，如圖3所示。從斷口整體上看，未見任何塑性變形，為典型的脆斷斷口形貌。A端斷面失效放射狀線匯聚在橫斷面中心，如圖3（b）所示。B端斷口形貌如圖3（c）所示，中心有明顯的縮孔，孔洞呈橢圓形，大小約為10mm×5
mm，基本斷定其為斷裂源。
1.2化學(xué)成分
在斷裂的索節(jié)上取樣，采用ARL4460光電直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可見，索節(jié)的化學(xué)成分與JB/ZQ4297-1986《合金鑄鋼》
標(biāo)準(zhǔn)中的ZG35CrMo基本一致，但是P元素的含量超過限值。
1.3力學(xué)性能
在索節(jié)上選取接近斷裂位置的部位，取了2個
中10mm的圓形試棒，按照GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，其力學(xué)性能見表2。對照J(rèn)B/ZQ4297-1986標(biāo)準(zhǔn)，其抗拉強(qiáng)度超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限，屈服強(qiáng)度值也偏高，伸長率在臨界狀態(tài)。
|1.4顯微組織
截取靠近索節(jié)斷裂處的金相切片，經(jīng)研磨與拋光后得到金相試樣，如圖4所示，肉眼可見嚴(yán)重的中心偏析，在偏析處隱約可見粗大的枝晶狀鑄態(tài)組織。
使用ZEISS ScopeA1M光學(xué)顯微鏡對金相切片進(jìn)行微觀檢測，其顯微組織如圖5所示，其中圖5
（a）為腐蝕前的拋光態(tài)微觀形貌，可觀察到形狀大小不等的孔洞，大多為鑄造縮孔，縮孔長度大約在30~100um，寬度大約在10~40um，夾雜物也非常多，這些缺陷主要分布在心部。圖5（b）為腐蝕后的顯微組織形貌，為枝晶狀鑄態(tài)組織，晶界處除存在大量縮孔外還有熔洞以及沿晶界分布的褐色組織，疑似過燒。
1.5組織能譜分析
對圖5（b）中沿晶界分布的褐色組織與基體組織用OxfordX-MAX-20EDX能譜儀進(jìn)行了成分分析，結(jié)果見表3?？梢缘贸龌w組織化學(xué)成分基本正常，為C、Si、Mn、Cr、Fe元素，而沿晶界處分布的褐
色組織能譜分析的化學(xué)成分，除了同基體組織一致的化學(xué)元素外，還有O、S元素，且C、O元素的含量還非常高，說明該處組織發(fā)生氧化，這種褐色組織為低熔點(diǎn)化合物。而這種沿晶界分布的低熔點(diǎn)化合物以及晶界處的熔洞均是由組織過燒產(chǎn)生的。
1.6斷口SEM形貌
將圖3（c）的B端斷口置于EVOMA15掃描電鏡下進(jìn)行斷口微區(qū)檢測，如圖6所示。從圖6（a）中可觀察到放射狀線向斷裂源匯聚；從圖6（b）中可觀察到中心縮孔又深又大；從圖6（c）中可觀察到斷裂面上的斷裂機(jī)理不均勻，絕大部分形貌特征為從斷裂源開始，以放射狀向前擴(kuò)展，部分階梯的高度隨著擴(kuò)展方向而增加，直至晶粒邊界，為脆性扇形解理斷口；從圖6（d）可見扇形的邊界也存在細(xì)小的韌窩帶，完全不同于扇形解理斷口形貌，呈現(xiàn)出細(xì)小條紋狀解理斷面，足以表明組織的不均勻性。
2斷裂失效原因分析
該索節(jié)在鑄造過程中，因補(bǔ)縮不良造成鑄件內(nèi)部出現(xiàn)孔隙，在心部形成縮孔。常伴隨縮孔產(chǎn)生的粗大枝晶狀組織、顯微縮松、顯微組織偏析均有產(chǎn)生，并且在該索節(jié)上出現(xiàn)了大尺寸的中心縮孔及大量的細(xì)小分散縮孔（即顯微縮松），這是造成索節(jié)斷裂最主要的原因。
3建議
索節(jié)在熱處理過程中，由于溫度控制不當(dāng)產(chǎn)生過燒，過燒產(chǎn)生的熔洞大多與縮孔同時(shí)存在，這也是索節(jié)斷裂的原因之一。溫度過高，氧化性的氣體就會滲入到晶界，晶界處又有鑄造過程中產(chǎn)生的縮孔，使晶間物質(zhì)Fe、C、S發(fā)生氧化，形成易熔共晶體氧化物（即低熔點(diǎn)化合物）聚集在晶界處。熱處理溫度達(dá)到易熔共晶體氧化物的熔點(diǎn)時(shí)，其就會熔化，在隨之下來的冷凝過程中形成了熔洞，也有部分未熔化的化合物冷凝后保持下來，在金相顯微鏡下呈現(xiàn)出褐色組織。由于過燒引起的熔洞以及沿晶界分布的低熔點(diǎn)化合物，削弱了索節(jié)晶粒間的結(jié)合力，使晶界脆化，阻礙了塑性變形。
此外，該索節(jié)在鑄造過程中P元素含量較高，由于磷溶于鐵素體，致使鑄鋼的強(qiáng)度升高，同時(shí)顯著地降低了鋼的塑性和韌性，增加了脆性，容易脆裂，另外P元素偏高也易造成中心偏析。
3建議
索節(jié)是鋼絲繩索具的重要配件，主要應(yīng)用于澆注型鋼絲繩索具，在其內(nèi)部澆注合金或樹脂來固結(jié)鋼絲繩繩端，制成索具。本案例發(fā)生的失效由于實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)到位，未發(fā)生重大傷害。而在日常使用鋼絲繩索具時(shí)，如發(fā)生索節(jié)失效將造成較為嚴(yán)重的后果，導(dǎo)致人身財(cái)產(chǎn)的傷害。鋼絲繩索具是重要的工業(yè)產(chǎn)品，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展使用越來越多，目前我國剛制定相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，而在標(biāo)準(zhǔn)中未對索節(jié)有明確的技術(shù)指標(biāo)要求。經(jīng)過調(diào)查部分索具生產(chǎn)企業(yè)，發(fā)現(xiàn)目前行業(yè)內(nèi)普遍存在購買索節(jié)后不檢驗(yàn)直接使用的現(xiàn)象。針對發(fā)生的真實(shí)案例，筆者認(rèn)為相關(guān)部門和行業(yè)應(yīng)注重索節(jié)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制定，特別建議索具企業(yè)在索具使用前應(yīng)進(jìn)行100%射線無損探傷檢驗(yàn)，此外還應(yīng)加強(qiáng)參數(shù)驗(yàn)證，同爐試樣的制備等，保證索節(jié)和索具的安全使用。
