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)鋼標準可以看出，所用材料夾雜大小明顯超過標準。這類較大的夾雜對材料力學性能的影響主要是降低材料的塑性、韌性和疲勞性能，特別是在高強鋼內(nèi)部，這類夾雜形成的應力集中在較低的應力水平下也能形成裂紋！而裂紋一旦出現(xiàn)，就會迅速擴大，zui終導致構(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、偏大的吊鉤導致的 10t 吊秤下連接件連接螺桿斷裂
這是一個與吊秤機械結(jié)構(gòu)和使用都有關(guān)的問題。吊秤的機械結(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，才是導致斷裂的主要原因。問題在于，彎矩何來？進一步仔細觀察發(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，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。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終導致斷裂。
3、C 型吊鉤直接連接下拉頭導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。額定起重量為 20t，實際起重量連 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械性能基本達到標準要求，沒有發(fā)現(xiàn)可能導致斷裂的缺陷。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、前后運動，有勻速運動，也要有加速、減速運動。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，取決于機械結(jié)構(gòu)設計。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，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 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)的抗疲勞設計時提到，“在涉及抗疲勞設計時，應該強調(diào)的是結(jié)構(gòu)接頭的疲勞特征，而不是它的靜強度。” 這也是我們在設計時應該加以注意的。只要注意到了，也就是可以防范了。
