磨煤机加载拉杆失效分析

来源:北京电力设备总厂作者:朱波

采用化学成分分析、硬度测试、光学显微镜、扫描电镜等手段对断裂的辊式磨煤机加载拉杆进行了检测。结果表明,加载拉杆的断裂为弯曲疲劳断裂。拉杆经调质处理后进行大深度的机加工降低了表面材料的强度,表面尖而深的车加工沟痕引起局部的强烈应力集中,使拉杆的承载能力大大下降,是造成拉杆疲劳断裂的主要原因。

某型辊式磨煤机加载拉杆在使用过程中发生断裂,拉杆材料为42CrMo,调质热处理状态。热处理后要求Rm≥900 MPa,硬度为278 ~ 318 HB,并要求圆周方向硬度差≤20 HB,轴线方向硬度差≤40 HB,设计使用寿命10 年。该拉杆在累计运行约8500 h后,在连接卡套内的直径最小处断裂,具体位置如图1 所示。

拉杆的断裂位置

图1 拉杆的断裂位置

1、理化检验

1.1、化学成分分析

在断口附近取样,用德产斯派克M9 型直读光谱仪进行化学成分分析。结果表明,其化学成分符合GB/T 3077-1999《合金结构钢》对42CrMo 钢的要求,见表1。

表1 断裂拉杆的化学成分( 质量分数,%)

断裂拉杆的化学成分

1.2、显微组织分析

从断裂拉杆不同深度位置取样,用蔡司Axiovert200MAT 金相显微镜观察显微组织。拉杆基体组织以回火索氏体为主,组织不均匀,存在较明显的带状组织,局部有铁素体和索氏体组织,如图2 和图3所示。

拉杆外层显微组织

图2 拉杆外层显微组织

拉杆中部显微组织

图3 拉杆中部显微组织

1.3、硬度检验

测试轴径为67 拉杆处的表层到心部的硬度,在离表层5 mm 处硬度为302 HB,8 mm 处硬度为298 HB,接近疲劳裂纹起裂区域附近的硬度为260 HB,拉杆中部硬度254 HB。可见,拉杆的硬度随着离表面层距离增加而降低,虽然拉杆轴径为 67 处的表层硬度符合设计图纸的要求,但断裂截面位置表面经车削加工后,实际使用表面的硬度没有达到设计要求。如果按GB /T 1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》将硬度值换算得到参考抗拉强度值,则相当于830 ~ 840 MPa,抗拉强度也低于设计要求。

1.4 、 断口宏观分析

拉杆断裂位置位于拉杆承载截面最小处,如图1 所示。图4 是拉杆断裂面的宏观形貌,断面呈凹形,中部有一直径约17 mm 的圆孔。断面上可以看见明显的疲劳开裂过程形成的贝纹状花样,由贝纹状花样的形态看出,裂纹是从左右两侧向中间扩展,疲劳裂纹扩展的方向如图中白色箭头所示。其中右侧疲劳区扩展深度较小,深约7 mm。左侧为主断裂方向,裂纹扩展区较宽,扩展面积占断面总面积的80% 以上。图4 中突出部分为最终的瞬断区,如黑色箭头所指,瞬断区面积非常小,仅占断面总面积的5%左右。断裂面略微向下呈凹形,表明该位置裂纹起裂过程是受到杆部弯曲应力作用的结果。瞬断区面积很小则说明最后断裂时拉杆受到的拉伸方向的总载荷不大。

断口的低倍形貌

图4 断口的低倍形貌

2、结论

断裂位置表面材料的硬度没有达到设计要求,拉杆经调质处理后进行大深度的机加工,降低了表面材料的强度,特别是表面车削出的尖而深的沟痕在局部引起的强烈应力集中,使拉杆的承载能力大大下降,是造成拉杆疲劳断裂的主要原因。

3、质量控制建议

(1) 控制生产工艺过程,使得拉杆在调质处理后单边机加工量不大于8 mm,以保证其精加工后工作表面硬度符合设计要求。

(2) 加强热处理工艺控制,调质处理前必须进行有效的正火处理