安全带挂钩失效分析

韩玉龙

（山西省机电设计研究院有限公司，山西太原 030009）

1 试验过程与结果

某公司在安装作业施工时，安装人员使用的安全带挂钩发生断裂事故。该公司提供了发生断裂事故的安全带挂钩两件，一件已发现断裂、另一件未断裂。通过外观检查、化学成分试验分析、硬度试验分析、金相显微组织分析和扫描电镜断口等分析，确定挂钩断裂的原因。

1.1 外观检查

检查断裂状态的挂钩，可见断裂挂钩断口有锈蚀现象,断口处小环钩体圆钢外侧有凹形挤压痕迹，该凹形挤压痕迹处钩体圆钢截面形成变截面区，圆钢直杆部分侧断口处外侧为弯曲过渡弧形，弯曲过渡弧形处有挤压痕迹（图1）。

图1 断裂挂钩小环钩体与直杆

另一件未断裂挂钩，一侧圆钢直杆部分与小环钩体弯曲过渡处圆钢外侧有凹形挤压痕迹，该凹形挤压痕迹处钩体圆钢截面较小，形成变截面区（图2）。

图2 未断裂挂钩外侧有凹形挤压痕迹

1.2 化学成分试验分析

对断裂挂钩进行化学成分分析，元素C、Mn、P、S 和Si 的含量分别为0.17%、40%、0.026%、0.023%和0.18%。试验结果表明，挂钩材料化学成分符合Q235 结构钢化学成分的标准要求。

1.3 显微组织分析

对断裂挂钩进行显微组织及硬度分析，金相组织形貌如图3～图5 所示。试验结果表明，挂钩基体组织为大量的铁素体+珠光体，组织状态正常；挂钩圆钢表面无脱碳、无其他组织；钢中非金属夹杂物为A 类细系1.0 级、D 类粗系1.0 级，钢中纯净度符合要求。

图3 基体组织

图4 表面组织

图5 非金属夹杂

1.4 扫描电镜断口分析

断口分析表明，挂钩小环侧断口处钩体圆钢外侧凹形挤压变形处形成钩体圆钢截面较小的变截面区，凹形挤压变形变截面区位于终断区域外侧，终断区域边沿可见挤压平面（图6、图7）。

图6 断口形貌×21

图7 变截面区及终断区边沿断口形貌×73

断口微观分析表明，起裂区微观有明显的平坦的疲劳磨损面，是两个断裂面相对摩擦造成的，裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹表面受反复挤压、摩擦。裂纹扩展区疲劳条纹逐渐粗糙，纹路逐渐增大呈现疲劳波纹，及疲劳扩展韧窝；裂纹扩展至终断区，断裂时形成粗条纹终断区域（图8～图10）。断口微观分析认为，由于疲劳裂纹不断扩展，使挂钩零件圆钢的有效截面逐渐减小，使用应力增加时，当疲劳裂纹扩展至净截面的应力达到材料的断裂应力时，便发生瞬时断裂。

图8 疲劳源区×488

图9 疲劳扩展区×1510

图10 终断区断口形貌×1210

2 分析与讨论

（1）挂钩材料化学成分符合Q235 碳素结构钢标准要求，基体组织状态正常，圆钢表面无脱碳，钢中纯净度符合要求。

（2）挂钩钩体圆钢外侧存在制造加工凹形挤压变形状况，形成钩体圆钢截面较小的变截面区、钩体强度较薄弱部位。

（3）挂钩断裂位于钩体圆钢直杆部分与小环弯曲过渡处、钩体强度较薄弱部位。

（4）挂钩圆钢断口中，靠钩体内侧的断口局部有两个断裂面相对摩擦造成的平坦的疲劳磨损面，断口中部区域有锈蚀现象。说明该挂钩钩体小环颈部一侧圆钢直杆部分与小环弯曲过渡处、挂钩强度较薄弱部位前期已产生部分开裂纹。前期，挂钩断裂部位承受了拉应力和剪应力作用，断裂不是一次应力作用的结果。挂钩曾承受过异常外力作用，造成挂钩断裂部位前期已产生部分开裂纹，裂纹不断扩展使挂钩圆钢的有效截面逐渐减小，最后在使用时裂纹扩展至挂钩圆钢净截面的应力达到材料的断裂应力，导致挂钩发生瞬时断裂。

3 结论

挂钩圆钢断口中，靠钩体内侧的断口局部有两个断裂面相对摩擦造成的平坦的疲劳磨损面，断口中部区域有锈蚀现象。挂钩承受过异常外力作用，造成挂钩断裂部位前期已产生部分开裂纹，疲劳裂纹扩展使挂钩圆钢有效截面逐渐减小。最后使用时，疲劳裂纹扩展至挂钩圆钢净截面的应力达到材料的断裂应力，导致挂钩发生瞬时断裂。