馬曉春，姚煒杰，王 錚，韓 勇，陳興陽，周成雙

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.首都航天機(jī)械公司，北京 100076；3.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

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塔式起重機(jī)耳板件疲勞斷裂行為研究

馬曉春1，姚煒杰1，王 錚2，韓 勇1，陳興陽3，周成雙1

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.首都航天機(jī)械公司，北京 100076；3.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

塔式起重機(jī)在受載過程中，其耳板發(fā)生斷裂.為明確其斷裂機(jī)制，對耳板件進(jìn)行了顯微組織和斷口形貌觀察、材料力學(xué)性能測試和有限元數(shù)值分析.結(jié)果表明：耳板材料性能滿足設(shè)計(jì)要求，耳板的斷裂形式為疲勞斷裂，裂紋萌生于耳板內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折處；有限元分析得到了耳板與主弦桿的焊接構(gòu)件在耳板內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折處存在明顯的應(yīng)力集中.改進(jìn)主弦桿端部與耳板間的焊接方式，可以改善其應(yīng)力分布狀況，減小應(yīng)力集中，從而有效降低構(gòu)件的斷裂風(fēng)險(xiǎn).

耳板；應(yīng)力集中；有限元分析；疲勞斷裂

塔式起重機(jī)是建筑行業(yè)中常用的起重設(shè)備.耳板件是塔式起重機(jī)的重要受力構(gòu)件，其強(qiáng)度關(guān)系到起重機(jī)的可靠性和安全性能[1-2].某廠家塔式起重機(jī)在受載時，其碳鋼耳板發(fā)生了斷裂.為研究其斷裂機(jī)制，避免此類事故的再次發(fā)生.對耳板件進(jìn)行了顯微組織和斷口形貌觀察、材料力學(xué)性能測試.并采用有限元軟件分析，得出耳板件受載時的應(yīng)力云圖，通過應(yīng)力云圖更加直觀和快速分析被分析部件的應(yīng)力及變形情況，并基于此探究耳板件的疲勞斷裂行為[3-4].基于有限元計(jì)算，提出對耳板件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施，以優(yōu)化耳板件的應(yīng)力分布狀態(tài).

1 實(shí) 驗(yàn)

斷裂的耳板實(shí)物圖如圖1所示.根據(jù)金屬顯微組織檢驗(yàn)方法對耳板材料進(jìn)行取樣，取樣位置為斷面以下10 mm的區(qū)域，取樣范圍與裂紋面區(qū)域平行.然后使用金相鑲嵌機(jī)對試樣進(jìn)行鑲樣處理，采用金相砂紙對試樣打磨，并用W1的金剛石拋光劑進(jìn)行機(jī)械拋光，用4%的硝酸酒精對試樣進(jìn)行金相侵蝕，并在光學(xué)顯微鏡下觀察.根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》對耳板材料進(jìn)行力學(xué)性能分析測試.對表面平整的一處斷口進(jìn)行取樣，并去除表面的腐蝕產(chǎn)物，采用掃描電鏡觀察其表面形貌，分析裂紋類型，揭示斷裂行為并探討優(yōu)化方案.采用abquse軟件對耳板結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元計(jì)算分析，得出耳板件在不同受載條件下的應(yīng)力分布圖，并對經(jīng)優(yōu)化后的耳板件進(jìn)行有限元計(jì)算，以評估優(yōu)化方案的可行性.

圖1 斷裂的耳板件Fig.1 The fracture ear plate

2 結(jié)果與討論

2.1 材料顯微組織及力學(xué)性能分析

在光學(xué)顯微鏡下，對試樣的多個區(qū)域進(jìn)行觀察，其金相顯微組織如圖2所示.材料組織為鐵素體和珠光體組織，夾雜物較少.

圖2 耳板材料顯微組織圖Fig.2 Metallography of the ear plate

耳板材料的力學(xué)測試結(jié)果如圖3和表1所示，拉伸曲線屈服平臺清晰，曲線規(guī)則.材料的屈服強(qiáng)度為287 MPa，抗拉強(qiáng)度為431 MPa，延伸率37%，斷面收縮率59%.其拉伸性能滿足Q235所要求的屈服強(qiáng)度大于235 MPa，抗拉強(qiáng)度大于375 MPa，延伸率大于26%的要求.

圖3 耳板材料拉伸曲線 Fig.3 Tensile curve of the ear plate material

試樣編號試樣1試樣2試樣3平均值屈服強(qiáng)度/MPa285.10285.88290.95287.31抗拉強(qiáng)度/MPa432.40432.08430.62431.70延伸率/%36.6038.2037.2037.33斷面收縮率/%53616359

2.2 斷口形貌分析

斷口的宏觀形貌如圖4所示，斷口在左側(cè)上下兩角處呈現(xiàn)同心圓弧發(fā)射形狀，這與疲勞裂紋在疲勞區(qū)的宏觀形貌一致[5].一般這一區(qū)域稱為貝紋區(qū)[6]，同心圓的圓心所在區(qū)域?yàn)槠谠?，也就是疲勞裂紋萌生區(qū)，該裂紋面上有兩個疲勞源.利用掃描電子顯微鏡對斷口上的各個區(qū)域的進(jìn)行形貌觀察，其顯微結(jié)構(gòu)如圖5所示.圖5(a)為其中一個疲勞源的顯微形貌，該區(qū)域呈現(xiàn)出塑性變形和臺階狀裂紋混合形貌.圖5(b～e)都呈現(xiàn)出波紋狀臺階形貌，這是典型的疲勞裂紋形貌[7]，這一形貌產(chǎn)生的原因是材料在垂直于受力方向上產(chǎn)生裂紋，當(dāng)材料受載時，裂紋尖端會產(chǎn)生應(yīng)力集中，這樣會使裂紋尖端所承受的拉應(yīng)力大大超過材料所受的宏觀應(yīng)力，并造成裂紋的擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展一小段距離后由于位錯塞集，裂紋擴(kuò)展停止，并在卸載后裂紋閉合，當(dāng)材料再次受載時，裂紋又會發(fā)生短距離的擴(kuò)展，由于后一次擴(kuò)展并非沿著原擴(kuò)展位置，所以在兩次擴(kuò)展的起止處會形成一個臺階[7].b區(qū)、 c區(qū) 、d 區(qū)和e區(qū)都是疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)；f區(qū)呈現(xiàn)韌窩狀的韌性斷口特征，圖5(f)的微觀形貌為韌窩狀裂紋，這與材料發(fā)生塑性變形并斷裂的形貌一致[8-9]，因此可以判斷f區(qū)為瞬斷區(qū)，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度，該零件的承載值超過了為擴(kuò)展部分所能承受的最大載荷時，發(fā)生的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，形成零件瞬間斷裂的斷口.

圖4 斷口宏觀形貌Fig.4 Macroscopic fracture morphology

圖5 斷口微觀形貌Fig.5 Microscopic fracture morphology

2.3 有限元分析

應(yīng)力云圖可以更加直觀和快速分析受載部件的應(yīng)力及變形情況，為得到耳板件在受力時的應(yīng)力分布狀態(tài)，可以通過對耳板和主弦桿構(gòu)件三維模型的建立，然后采用abquse軟件對耳板結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元計(jì)算分析，得出耳板件的應(yīng)力云圖.由于該耳板件與主弦桿間垂直位置的焊接質(zhì)量較差，其焊接主要起封閉端口的作用，對構(gòu)件的承載作用有限，可將耳板機(jī)構(gòu)件和主弦桿結(jié)構(gòu)簡化[10-13].采用八節(jié)點(diǎn)三維結(jié)構(gòu)實(shí)體單元對耳板結(jié)構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格劃分如圖6所示.材料的力學(xué)性能參數(shù)根據(jù)圖3中的拉伸曲線設(shè)定，將耳板一端和弦桿端固定，在耳板孔處施加拉力.拉應(yīng)力為設(shè)備滿載時該結(jié)構(gòu)件的承受載荷，該載荷為耳板兩側(cè)截面最小位置處受到平均應(yīng)力為120 MPa時的受載值，得到的耳板結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力云圖，如圖7所示.

圖6 耳板件模型Fig.6 The ear plate model

圖7 耳板結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of the ear plate

由應(yīng)力云圖7可知：在拉伸狀態(tài)下，耳板內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折處的應(yīng)力增大，并造成焊縫延長線上的耳板內(nèi)側(cè)(即紅色圓圈所在區(qū)域)會發(fā)生應(yīng)力集中，該位置與耳板的實(shí)際斷裂位置相同，這表明該模型的建立與實(shí)際工況一致.該區(qū)域所承受的應(yīng)力為292 MPa，已經(jīng)超過了材料的屈服強(qiáng)度287 MPa.設(shè)備在吊裝設(shè)備時不斷處于交變載荷作用下，在設(shè)備滿載時，其局部受力已經(jīng)超過了材料的屈服強(qiáng)度，從而造成該

區(qū)域的位錯滑移，在長期的交變載荷作用下，該區(qū)域會逐漸出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，并造成材料的塑性下降，最終誘發(fā)疲勞裂紋的萌生[14]，裂紋萌生后，在裂紋尖端處會產(chǎn)生一個更大的應(yīng)力集中，在該零件長期處于加載卸載的交變載荷時，就會造成疲勞裂紋的擴(kuò)展.當(dāng)材料所承受的應(yīng)力超過未產(chǎn)生裂紋區(qū)域的抗拉強(qiáng)度時，裂紋會發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，并造成零件的瞬間斷裂.

耳板件在實(shí)際使用時，其可能處于非滿載、過載甚至嚴(yán)重過載的工況條件下.該構(gòu)件在非滿載、過載以及嚴(yán)重過載的情況下的應(yīng)力云圖，如圖8所示.隨著載荷的增加，應(yīng)力集中區(qū)的范圍增大，應(yīng)力值升高.這表明隨著載荷的升高，其疲勞裂紋萌生的孕育期縮短[15].當(dāng)該設(shè)備承受的0.8倍荷載時，該區(qū)域的峰值應(yīng)力為288 MPa，依然高于該材料的屈服強(qiáng)度，這表明即使在非滿載情況下，該結(jié)構(gòu)依然存在疲勞失效的可能性，并且材料過載時，會縮短材料發(fā)生疲勞斷裂的孕育期.

圖8 耳板件受不同載荷時的應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of the ear plate subjected to different loads

為改善耳板件受載時的應(yīng)力分布狀態(tài)，降低焊縫延長線上的耳板內(nèi)側(cè)發(fā)生疲勞失效的概率，對耳板與主弦桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.圖9為耳板與主弦桿接觸面進(jìn)行完整焊接后的應(yīng)力云圖.從圖9(b)中可以看出，該區(qū)域的峰值應(yīng)力從原來的292 MPa降低為238 MPa，已經(jīng)大大低于了材料的屈服強(qiáng)度.圖9(c)是該結(jié)構(gòu)承受0.8倍荷載時的應(yīng)力云圖，此時的應(yīng)力為202 MPa，當(dāng)超載到1.3倍時，峰值應(yīng)力為288 MPa，與屈服強(qiáng)度相當(dāng).并且該區(qū)域分布方向與外加應(yīng)力方向一致，其與應(yīng)力集中區(qū)域分布方向垂直與外加載荷方向相比出現(xiàn)疲勞裂紋的風(fēng)險(xiǎn)更低.由此可見，將耳板與主弦桿連接處完整焊接可以有效改善該區(qū)域的應(yīng)力集中狀況，降低該結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn).

圖9 完整焊接后的耳板件受不同載荷時的應(yīng)力分布圖Fig.9 Stress nephogram of the whole welding ear plate subjected to different loads.

3 結(jié) 論

通過對耳板的材料分析、斷口形貌分析和有限元模擬計(jì)算，結(jié)果表明：耳板材料合格，斷裂裂紋為典型的疲勞裂紋，耳板斷裂為交變載荷引起的疲勞斷裂；耳板與主弦桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，會造成耳板內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，即時在不超載的情況下也存在疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；通過將耳板與主弦桿接觸面完整焊接的方法可以有效減小該區(qū)域的應(yīng)力集中狀態(tài)，降低疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn).

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(責(zé)任編輯：劉 巖)

Research on fatigue fracture behavior of a tower crane’s ear plate

MA Xiaochun1, YAO Weijie1, WANG Zheng2, HAN Yong1, CHEN Xinyang3, ZHOU Chengshuang1

(1.College of Materials Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China；2.Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076, China；3.College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Under load process, its ear plate portions of a tower crane is broken. To explore the mechanism of fracture, a series of tests were performed to the failure parts, such as metallurgical analysis and scanning electron microscopy observation and extension test and finite element analysis. The results show that the ear plate material properties meets the design requirements, and ear plate fracture is in the form of fatigue fracture, crack initiation in the inner turning area of the ear plate. Finite element analysis results show that the ear plate and main chord welding structure of obvious stress concentration at the inner side of the turning point of the ear plate. Improving the welding manner of the ear plate and main chord can improve the stress distribution and reduce the stress concentration, avoiding the fatigue fracture.

ear plate; stress concentration; finite element analysis; fatigue failure

2016-03-03

馬曉春(1967—)，女，浙江富陽人，副教授，研究方向?yàn)椴牧吓c表面工程，E-mail：zgdmxc@163.com.

TG146

A

1006-4303(2016)05-0575-05