简忠武

（湖南工业职业技术学院，湖南长沙，410082）

5510型塔机塔顶支板断裂的个案分析

简忠武

（湖南工业职业技术学院，湖南长沙，410082）

某单位一台5510型塔机在使用10月左右的时间后其塔顶支板发生断裂。对该塔顶支板进行宏观断口检测与分析、金相检验、化学成份和力学性能检验，结果表明，该零件断裂主要原因是金属疲劳所致，其疲劳寿命降低的主要原因是安装或使用过程中受到过较大载荷的冲击碰撞及原材料中存在非金属夹杂物。

塔机；塔顶支板；宏观断口检验与分析

塔机（又称“塔吊”），“塔式起重机”简称，是建筑施工中常用的一种起重设备。随着经济的发展，建筑楼群的密集，塔机的使用越来越广泛。近几年来因超载使用、材料质量、加工缺陷、结构疲劳等原因造成的事故时有发生”[1-2]。委托单位一台5510型塔机在使用10月左右的时间后其塔顶支板发生断裂，造成整机报废的事故。该塔机使用环境为某建设集团有限公司在异地扩建工程项目部工地，其塔顶支板宏观断口形貌见图1、2，据委托单位提供的资料，塔顶支板的生产工艺流程为：板材沿轧制方向下料→折弯成175.5度→焊接成形，该塔顶支板工作过程中受拉压交变应力的作用，其设计的最大受压力为295KN，最大一受拉力为164KN。

图1 塔顶支板原始宏观断面

图2 经超声波清洗后的塔顶支板宏观断面

1 宏观断口检验与分析

因断裂时间较久，塔顶支板宏观断口已被绣蚀，见图1。为使断裂信息清晰对断面进经超声波清洗，清洗后的断面见图2。由图2可见断面上有隐约可见的贝纹线，两端有较明显的放射花样。对于矩形或板状构件，顺着放射花样逆向追溯到裂纹源，如图2红包箭头所指，说明该塔顶支板断裂裂纹源位于板的外侧表面中央区域。最终断裂区为图2中蓝色箭头所标识，从其颜色观察判断，最终断裂区所占面积与整个断面比相对较小，代表裂纹的产生和扩展的过程较长，最后导致瞬时断裂，符合金属疲劳断裂特点。该断口上未见有白点、氢脆等其它破断信息，由此可判断该构件属金属的疲劳断裂。

2 取样部位与取样方法

2.1 钻取化学成份试样；

2.2 按GB713-2008标准规定取拉伸试样；

2.3 用线切割方法取金相试样，取样位置为上述分析判断的裂源处（见图3）。

图3 金相取样位置

3 检验结果

3.1 化学成份和力学性能：检验结果见表1

表1 化学成份和力学性能检验结果

3.2 金相检验

基体组织为铁素体+少量索氏体，其组织具有较较明显的魏氏组织特征，见图4，在断口面附近存在若干细小微裂纹，分别见图5、图6、图7，所有微裂纹均沿非金属夹杂物开裂，基体内也存在未开裂的相同类型、形状类似的非金属夹杂物，见图8。

图4 基体金属组织500×

图5 断裂面附近微裂纹（全貌）50×

图6 断裂面附近微裂纹(局部1)100×

图7 断裂面附近微裂纹(局部2)100×

同时，微裂纹附近有晶粒被拉长发生塑性变形的现象，见图9、图10。而在未开裂的夹杂物处晶粒没有出现塑性变形的现象，见图11。

图8 基体内部的非金属夹杂物100×

图9 裂纹周围晶粒出现塑性变形(1)200×

图10 裂纹周围晶粒出现塑性变形(2)200×

图11 夹杂物周围未变形晶粒500×

4 分析

4.1 通过理化检验可知该塔顶支板化学成份符合GB/T1591-2008标准要求（见表1），但成份合格并不能保证它在使用过程中不断裂，从断口分析可知塔顶支板属金属早期疲劳断裂[3]；

4.2 造成该塔顶支板发生早期疲劳断裂的原因分析

4.2.1 原材料中存冶金质量缺陷：众所周知，疲劳断裂过程分三个不同的发展阶段，即裂源的产生、裂纹的扩展和最后瞬时断裂，其主要特点断裂应力远比静载荷条件下的抗拉强度低甚至远低于其屈服强度，其次断口上无明显塑性变形的痕迹，因此尽管本塔顶支板设计的最大受压力仅为295KN，最大一受拉力为164KN，理论上远不足以使它断裂。但金属的疲劳断裂就大不相同了，它是在交变应力作用下裂纹的产生和扩展的过程，因此，该塔顶支板裂纹源的产生出现是影响其早期断裂的主要因素。由图5、6、7、9、10可见该塔顶支板中还有较多没有扩展的潜在微裂纹，这些潜在的裂纹源都是伴随有非金属夹杂物，证明原材料中非金属夹杂物（GB/T1591-2008标准中未做具体要求）为裂源的产生提供了有利条件。

4.2.2 塔顶支板断裂面附近曾受过较大的冲击或碰撞：由图9、图10可见微裂纹附近有晶粒被拉长发生塑性变形的现象，这种微区的塑性变形只有存局部曾受强烈冲击或碰撞后才有可能出现，毫无疑问该构件局部曾所受到的冲击外力超过了其屈服强度才使其晶粒发生塑性变形，而同时非金属夹杂物的客观存在共同导致微裂纹的产生。光存在夹杂物而不受外力冲击并没有产生微裂纹，见图8、11，因此，微裂纹的产生是内因和外因共同作用的结果。

4.2.3 塔顶支板的金相组织、力学性能对裂纹的扩展有利:由图4可见基体组织具有魏氏组织特征，这是一种过热状态的组织形貌，意谓着塔顶支板的强度及塑性达不到Q345B这种钢材的理想状态，从表1中证实其屈服强度只有318Mpa，未达到标准中要术的Rel 345Mpa的技术条件，强度较低、组织过热，裂纹扩展的阻力下降，塔顶支板的抗疲劳性能自然会降低。

5 结论

5.1 该塔顶支板属金属疲劳[4]；

5.2 造成其疲劳寿命降低的主要原因是安装或使用过程中受到过较大载荷的冲击碰撞及原材料中存在非金属夹杂物。

[1]陈安军.塔机倒塌事故分析和教训[J].浙江建筑，2006，23(1)：56-58.

[2]邱海涛，刘洁.塔式起重机基础对塔机安全使用的影响[J].建设机械技术与管理，2005，(2)：69-70.

[3]李运菊，高威，张卫方等.操纵杆早期疲劳断裂分析[J].材料工程，2003，（z1）：102-103,110.DOI:10.3969/j.issn.1001-4381.2003. z1.030。

[4]郝富杰.概述金属疲劳产生的原因及影响因素[J].山西建筑, 2011,37(11)：51-52.DOI:10.3969/j.issn.1009-6825.2011.11.032.

Analysis of Support Plate Fracture in 5510 Model Tower Crane Top in Some Company

JIAN Zhongwu
(Hunan Industry Polytechnic,Changsha410082,Hunan)

Fracture of the support plate in 5510 model tower crane top occurred after it had been used 10 months in some company.Fracture morphology,microstructure,chemical composition and mechanical properties of the tower crane top support plate were tested and analyzed.It has been demonstrated that the fracture was caused by metal fatigue.Large impact load during installation and usage and non-metallic inclusions existing in raw material may be the main causes which decreased the fatigue life.

tower crane;support plate;fracture morphology

TG113.1

A

1671-5004（2015）04-0011-03

2015-6-20

简忠武（1984-），男，湖南茶陵县人，湖南工业职业技术学院助理实验师、技师、机械工程师，研究方向：机械制造大类模具设计与制造。