热过载引起的损坏事故

张永友

摘 要：本文讨论了机械零件在受热作用时，热过载所带来的隐患和后果.热过载有两种形式，一是过热，二是温度变化引起相变，要么会造成晶粒粗大，强度降低，要么会造成局部淬火，产生组织应力，形成初期裂纹，从而缩短产品寿命，造成提前损坏.

关键词：热过载;过热;组织应力

1.引言

产品制造过程中，许多零件都要經历加热的阶段，比如热处理的加热，或者锻造前的加热，或者焊接，或者电笔刻字，等等.而加热过程的控制是否准确，恰当，就显得很重要.否则，就可能因为热过载而引起损坏事故.

热过载会有两种表现形式，一是过热，二是温度变化引起相变.下面分别加以讨论.

2.过热引起的损坏事故

某直径为4毫米的60钢绕制成弹簧，经过光亮退火，在使用一到两周后，端部变脆，发生了断裂.查找原因：材料的化学成分检查是符合标准的.检查断裂面的组织，为异常粗的贝壳状晶体.并且在其晶间还看到了初期熔化的痕迹.显示该弹簧在进行光亮退火时，加热及其保温发生了过热.个别地方超过了规定的加热温度，造成了晶粒粗大，甚至有的地方温度更高，产生了过烧，才有了晶间的初期熔化的现象.过热和过烧降低了弹簧的性能和寿命.

某工具钢制造的离心制造用模具的内壁上发生了网状裂纹.裂纹的深度在1毫米以下.裂纹的边缘发生了氧化，没有脱碳.X射线透视照片上没有看到这种裂纹.针对这个有裂纹的模具，将其内壁进行镗削加工，去除两毫米，浅处的裂纹也被去掉了，在成功生产了900个以后，在纵向又发生了裂纹.纵向裂纹的产生，可做如下的推理：模具在快速加热时，表面层因为薄，所以被加热到相当高的温度，但是此时中心区的温度相对而言还比较低，不会与表层一起热膨胀，而是阻止表层的延伸所以会承受压应力.如果此压应力超过屈服强度，表层就会被镦厚.随后冷却时，表面层会承受拉应力，这种多方向的压应力和拉应力的反复作用，超过了材料的疲劳强度，所以模具发生了断裂.

3.温度变化引起热应力

某焙烧苏打的回转窑壳体，在工作过程中，其内侧和外侧都发生了裂纹.该壳体是从外侧采用油料进行加热的.外侧的裂纹与壳体的中心轴成45度角，贯通断裂处.在壳体的内侧，去除苏打的残余物之后，也发现了裂纹，其中，一部分裂纹与中心轴成45度.由此可见，在裂纹产生的时候，壳体同时也受到了扭转应力的作用.另一部分裂纹的走向与壳体的中心轴平行，而且，外侧的裂纹在扩展的过程中，相对于壳体的中心轴，大致成90度角，所以，对于外侧裂纹的发生，首先应该考虑弯曲应力的存在.弯曲应力足够大，造成了裂纹的扩展直到裂纹贯通.检查壳体的材料，是锅炉钢板，中心部位有偏析，是沸腾钢.壳体外侧表面上含有大量的硫，说明用来加热回转窑的油料中含硫量高.被壳体吸收了一部分的硫，大大增加了壳体中硫的含量.裂纹面上也附着有铁鳞，外侧形成的裂纹沿垂直于纤维组织的方向而扩展，即与壳体的中心轴大体垂直的方向扩展.铁鳞存在的地方，裂纹被阻止了，裂纹改为直线扩展，由此可见，裂纹的扩展，主要是晶内扩展，不是沿晶界扩展的.检验该锅炉钢的花学成分，为低碳钢，含碳量是百分之零点一，又经过了退火处理，本身强度就不高，又受到了弯曲应力，扭转应力的多重作用，根据壳体外侧表面的鉴定，认为该损坏事故的发生，是因为壳体在加热，冷却的多次作用下，温度反复变化，造成热应力反复作用于壳体，形成初期裂纹，裂纹扩展，直至损坏.

某含碳量为百分之零点八四的钢制造的镀镉板簧在使用过程中发生了断裂.断裂的起点是几条小裂纹，这些小裂纹和板簧表面的局部熔穴联通，检查金相组织，发现熔穴下面的材料被加热到熔点附近，于是发生了向马氏体转变的相变，这一部分组织的硬度为HV753，稍远处未发生相变的依然是调质组织，硬度为HV455，根据这一结果，可以判断断裂原因是由于局部淬火造成的应力裂纹.局部熔穴的形成是在通电镀镉时，板簧接触不良形成的电弧引起的.电弧的温度很高，在板簧表面形成了熔穴.归根到底，淬火裂纹和板簧断裂的原因是镀镉时的电弧.

某无轨电车连接杆断裂的原因也是热应力的影响.连接杆的材料是含碳量为百分之零点六的钢，在电车车辆编组时，由于碰撞而断裂.断裂之处所承受的载荷并不是连接杆上最大的载荷.观察金相组织，在位于方形断面的断裂边缘的断裂起点上，可以清楚地看到细晶组织.取样，腐蚀研磨面，在显微镜下看到被淬火的马氏体的斑点.掉过头来，在连接杆的另一端，也能看到一样的组织和现象.由此看出，两端发生了烧伤.发生烧伤的原因是：电车的电流从因积雪而绝缘的动力车流过接地良好的连接车时，由于具有高绝缘电阻，使得连接杆在短时间里发生电弧放电，电弧的高温使得连接杆的两端被局部淬火，形成马氏体组织，与附近的组织之间存在应力，形成了裂纹的起点，电车在编组时，连接杆发生碰撞，裂纹扩展，从而造成了连接杆的断裂.

某不锈钢制作的人骨钻头，使用一段时间后，钻头发生了断裂.观察断面的损坏情况，是疲劳裂纹.查找损坏的原因，在断裂的起点处，可以识别用电笔写上的部分数字的痕迹.另一部分数字存在于另一断裂部分.断裂的原因应该有两点，第一点是用电笔刻数字的地方，减少了承载面积，造成了应力集中;第二点，电笔在钻头上刻数字时，放电产生的高温使钻头材料产生了熔化，该部位冷却时发生局部淬火，导致淬火应力，形成初期裂纹.钻头在工作过程中，多次承受振动载荷，使初期裂纹发展成疲劳裂纹，最终造成了钻头的断裂.

4.结束语

零件的性能和寿命受很多因素影响，温度是其中一个重要的因素，要预防热过载.