钢丝绳索具用闭式索节断裂失效分析
索节又称浇铸接头，是一种装在钢丝绳索具末端的连接端件，一端的内部为空心圆锥体，用以插入发散后的钢丝绳绳端，然后用合金或树脂浇铸熔接，另一端用来连接卸扣、销轴等，并以此分为两种主要结构，即闭式索节和开式索节，分别见图1、2。索节由于形状特殊，通常使用锻造或铸造的工艺来进行加工制作。由于钢丝绳本身的强度较高，为了达到良好的使用效果，索节应具有较高的强度和良好的韧性。
本文分析的闭式索节材质为合金结构钢，生产工艺为铸造-机械加工-调质处理。该索节断裂失效案例发生在国内某专业从事钢丝绳试验的实验室，失效发生时正在进行52mm的钢丝绳整绳破断拉力试验，试验采用4000kN卧式拉力试验机，预计破断拉力在2200kN左右，钢丝绳端部用进口树脂浇铸在如图1的闭式索节内部，然后使用卸扣与拉力试验机相连。当试验拉力进行到2000kN左右时，索节突然断裂并飞出保护罩网，十分危险。由于实验室操作人员经验较为丰富，在试验前做了保护工作，未造成人身伤害和大的损失。
1理化性能检验及结果
1理化性能检验及结果
1.1宏观断口形貌
索节失效后，断裂为几段，取其中一段观察，两端的断口形貌均为平断口，如图3所示。从断口整体上看，未见任何塑性变形，为典型的脆断断口形貌。A端断面失效放射状线汇聚在横断面中心，如图3（b）所示。B端断口形貌如图3（c）所示，中心有明显的缩孔，孔洞呈椭圆形，大小约为10mm×5
mm，基本断定其为断裂源。
1.2化学成分
在断裂的索节上取样，采用ARL4460光电直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。由表1可见，索节的化学成分与JB/ZQ4297-1986《合金铸钢》
标准中的ZG35CrMo基本一致，但是P元素的含量超过限值。
1.3力学性能
在索节上选取接近断裂位置的部位，取了2个
中10mm的圆形试棒，按照GB/T228.1-2010标准进行测试，其力学性能见表2。对照JB/ZQ4297-1986标准，其抗拉强度超过标准规定的上限，屈服强度值也偏高，伸长率在临界状态。
|1.4显微组织
截取靠近索节断裂处的金相切片，经研磨与抛光后得到金相试样，如图4所示，肉眼可见严重的中心偏析，在偏析处隐约可见粗大的枝晶状铸态组织。
使用ZEISS ScopeA1M光学显微镜对金相切片进行微观检测，其显微组织如图5所示，其中图5
（a）为腐蚀前的抛光态微观形貌，可观察到形状大小不等的孔洞，大多为铸造缩孔，缩孔长度大约在30~100um，宽度大约在10~40um，夹杂物也非常多，这些缺陷主要分布在心部。图5（b）为腐蚀后的显微组织形貌，为枝晶状铸态组织，晶界处除存在大量缩孔外还有熔洞以及沿晶界分布的褐色组织，疑似过烧。
1.5组织能谱分析
对图5（b）中沿晶界分布的褐色组织与基体组织用OxfordX-MAX-20EDX能谱仪进行了成分分析，结果见表3。可以得出基体组织化学成分基本正常，为C、Si、Mn、Cr、Fe元素，而沿晶界处分布的褐
色组织能谱分析的化学成分，除了同基体组织一致的化学元素外，还有O、S元素，且C、O元素的含量还非常高，说明该处组织发生氧化，这种褐色组织为低熔点化合物。而这种沿晶界分布的低熔点化合物以及晶界处的熔洞均是由组织过烧产生的。
1.6断口SEM形貌
将图3（c）的B端断口置于EVOMA15扫描电镜下进行断口微区检测，如图6所示。从图6（a）中可观察到放射状线向断裂源汇聚；从图6（b）中可观察到中心缩孔又深又大；从图6（c）中可观察到断裂面上的断裂机理不均匀，绝大部分形貌特征为从断裂源开始，以放射状向前扩展，部分阶梯的高度随着扩展方向而增加，直至晶粒边界，为脆性扇形解理断口；从图6（d）可见扇形的边界也存在细小的韧窝带，完全不同于扇形解理断口形貌，呈现出细小条纹状解理断面，足以表明组织的不均匀性。
2断裂失效原因分析
该索节在铸造过程中，因补缩不良造成铸件内部出现孔隙，在心部形成缩孔。常伴随缩孔产生的粗大枝晶状组织、显微缩松、显微组织偏析均有产生，并且在该索节上出现了大尺寸的中心缩孔及大量的细小分散缩孔（即显微缩松），这是造成索节断裂最主要的原因。
3建议
索节在热处理过程中，由于温度控制不当产生过烧，过烧产生的熔洞大多与缩孔同时存在，这也是索节断裂的原因之一。温度过高，氧化性的气体就会渗入到晶界，晶界处又有铸造过程中产生的缩孔，使晶间物质Fe、C、S发生氧化，形成易熔共晶体氧化物（即低熔点化合物）聚集在晶界处。热处理温度达到易熔共晶体氧化物的熔点时，其就会熔化，在随之下来的冷凝过程中形成了熔洞，也有部分未熔化的化合物冷凝后保持下来，在金相显微镜下呈现出褐色组织。由于过烧引起的熔洞以及沿晶界分布的低熔点化合物，削弱了索节晶粒间的结合力，使晶界脆化，阻碍了塑性变形。
此外，该索节在铸造过程中P元素含量较高，由于磷溶于铁素体，致使铸钢的强度升高，同时显著地降低了钢的塑性和韧性，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建议
索节是钢丝绳索具的重要配件，主要应用于浇注型钢丝绳索具，在其内部浇注合金或树脂来固结钢丝绳绳端，制成索具。本案例发生的失效由于实验室安全防护到位，未发生重大伤害。而在日常使用钢丝绳索具时，如发生索节失效将造成较为严重的后果，导致人身财产的伤害。钢丝绳索具是重要的工业产品，随着经济发展使用越来越多，目前我国刚制定相关的产品标准，而在标准中未对索节有明确的技术指标要求。经过调查部分索具生产企业，发现目前行业内普遍存在购买索节后不检验直接使用的现象。针对发生的真实案例，笔者认为相关部门和行业应注重索节的检验标准制定，特别建议索具企业在索具使用前应进行100%射线无损探伤检验，此外还应加强参数验证，同炉试样的制备等，保证索节和索具的安全使用。
上一篇：钢丝绳复合套索具压制成形仿真研究 下一篇：压制钢丝绳索具分类及应用
