某型柴油發動機用電機支架在考核試驗過程中發生早期斷裂，服役時間約400h，在更換相同型號支架后試驗繼續進行。當考核試驗結束后發現該支架于相同部位再次發生斷裂。經了解該支架材質為優質20碳素結構鋼，經熱軋處理后直接銑削、焊接加工成型，直接投入使用。為了判明此次事故的原因，我們對前后兩次的失效支架進行整合分析，確定了該產品的冷熱加工工藝流程，并進行相應的理化檢測試驗。進而確定了缺陷產生的原因，并依此提出改進措施，以避免同類事故的再次發生。

1.理化檢驗

（1）宏觀分析

該支架結構及斷裂部位（見圖1）。可見斷裂發生于結構拐角處的支架耳部，裂紋與耳部垂直并貫穿支架壁厚，使耳部與支架主體完全分離開來（見圖2）。

將斷裂部位用丙酮清洗后觀察（見圖3），可見斷口基本與水平方向垂直，無明顯宏觀塑性變形痕跡，為正應力作用下的結晶狀脆性平齊斷口。斷面1/3范圍可見深褐色銹蝕產物，屬陳舊性斷口，為早期斷裂部位。其余2/3面積為淺灰色顆粒狀，并伴有金屬光澤，屬新鮮斷口，為最后斷裂部位。裂紋源位于耳部邊緣的A處。并可見以A點為輻射源的放射狀條紋呈不規則扇形形狀擴展，其擴展路徑在銹蝕產物的作用下更為明顯。

（2）化學成分檢測

在失效支架上取樣，對其化學成分進行檢測后結果見表1，可見其各元素含量均符合GB/T699-1999《優質碳素結構鋼》中20鋼關于各元素的要求，說明發電機支架材質本身無質量問題。

表1  支架化學成分檢測結果（質量分數）   （%）

（3）非金屬夾雜物檢測

按照GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》要求，切取并磨制金相試樣，在Neophot2光學顯微鏡下觀察其縱向磨面，檢測結果分別見（圖4和表2），可見該支架非金屬夾雜物含量符合相關技術要求。

表2  支架非金屬夾雜物檢測結果  （級）

（4）金相組織檢測  在支架耳部取樣并檢測其金相組織為：鐵素體組織+珠光體組織（呈明顯帶狀分布）。晶粒度為6～7級。根據GB/T 13299-1991 《鋼的顯微組織評定方法》中帶狀組織評級圖：帶狀組織級別為：B系列4級（見圖5），屬于較嚴重的帶狀組織。

（5）布氏硬度測試

測得其布氏硬度為133HBW。因支架形狀尺寸的限制，無法對其取樣進行抗拉強度、伸長率和沖擊韌性等力學性能進行測試。只能從布氏硬度數值上初步了解其性能概況。但經過以往的大量試驗表明：帶狀組織對材料的抗拉強度Rm和屈服強度ReL影響并不大，但卻使垂直于軋制方向（即垂直于帶狀方向）的斷后伸長率A、斷面收縮率Z，以及沖擊韌性Ak的值明顯降低。

2.綜合分析與討論

（1）帶狀組織的危害

從金相組織檢測結果可知材料中存在明顯的帶狀偏析。帶狀組織是指沿鋼材軋制方向形成的，以先共析鐵素體為主的帶與以珠光體為主的帶彼此堆疊而成的組織形態。由于帶狀組織中相鄰顯微組織不同，性能也存在差異，強弱帶之間必然會產生應力集中，因而造成力學性能的整體降低，并且存在明顯的各向異性，在外力作用下易沿帶狀組織發生層狀撕裂，為材料的早期失效奠定了組織基礎。

（2）帶狀組織的成因

帶狀組織是低碳鋼中一種常見的缺陷組織，它的成因大致有兩種：一種是鋼液在鑄錠結晶過程中選擇性結晶造成枝晶組織的不均勻分布，在軋制時粗大的枝晶被拉長并逐漸與變形方向一致，從而形成碳及合金元素的貧化帶和富化帶的堆疊，緩冷時便分別形成以鐵素體和珠光體為主的帶彼此交替。在這種情況下，成分帶狀是組織帶狀的根源和先決條件。所以用常規退火、正火方法很難加以消除，只能通過高溫擴散退火后再經一到三次正火來改善或消除。

第二種原因是由于熱加工工藝不當引起的帶狀組織，當熱軋溫度處于兩相區時，鐵素體沿金屬流動從奧氏體中呈帶狀析出，尚未分解的奧氏體被分割成帶狀，當冷卻到A1時帶狀奧氏體轉變為帶狀珠光體。這種原因形成的帶狀組織可通過正火或退火加以改善和消除。

（3）消除帶狀組織模擬實驗

為了判明該支架帶狀偏析的成因并加以消除，我們按照20鋼的常規熱處理工藝對其進行正火處理。處理后的金相組織（見圖6），可見帶狀組織得到明顯的改善，說明該支架帶狀組織的成因是熱加工工藝不當，經過適當的正火處理可以改善和消除。這就從材料顯微組織方面找到了該支架斷裂的內部原因及其改進措施。

（4）綜合分析

從支架外部結構的設計和加工來說，縱觀支架整體形貌，可見加工粗糙，焊縫明顯，隨處可見刀痕和坑洼，說明整體加工質量欠佳。由圖1中支架的結構和斷裂部位可以看出，斷裂發生于橫豎鋼板的拐角處，此處原本就屬于結構設計的薄弱環節，本應有用于減小應力集中的圓弧過渡區域，而卻出現了明顯的加工臺階，如此明顯的機械加工缺陷無疑會造成應力集中區域，為裂紋的萌生和發展打開了通道。

從支架的整體加工工藝來說，熱軋鋼板使用前并未做正火處理，也未進行相應理化檢測試驗，造成帶有缺陷組織的原材料直接轉入下一道機械加工工序。另外，支架鋼板焊接之后也未做退火或正火處理，將不可避免地造成焊接殘余應力的存在，這在一定程度上加快了支架的脆性斷裂進程。

3.結論及建議

（1）該支架斷裂性質為正應力作用下的脆性斷裂。支架耳部拐角處的加工臺階，造成明顯的應力集中，是誘發裂紋萌生的源頭。

（2）金相組織中存在的帶狀偏析，強烈降低材料的橫向（垂直于軋制方向）力學性能，從內部組織結構上為支架的斷裂埋下了隱患。

（3）焊接后未經退火或正火處理，造成殘余應力的存在，一定程度上加快支架的脆性斷裂進程。

建議從支架的結構設計和加工上加大耳部拐角處的圓弧過渡區域，減小應力集中程度；加大入廠原材料的檢驗力度，避免不合格品的流入；完善熱處理工藝，保證材料的熱處理質量，避免出現組織缺陷；對焊接件及時進行去應力退火，以保證產品質量。

文：焦麗、葛保紅、徐向陽，河北華北柴油機有限責任公司