文章概况：起重部件火烧后性能的研究
起重部件火烧后性能的研究
天津诚信达金属检测技术有限公司 孙忠波
一、引言
2009 年 12 月份，天津蓝巢特种吊装工程有限公司委托某运输公司将一个超起杆
杆头运回天津总部，运送货车行至内蒙古某路段时，由于连续下坡导致轮胎过热起火，
火势殃及车上货物超起杆杆头（如图 1 所示） 。
超起杆杆头为大型吊装设备中重要承重部件，该部件主体结构如图 1。构成主要框
体结构的管名为“主弦管”（图中加粗部分），其材质为 NL 890，其余作为加强结构的
管名为“桁管”（图中细线，仅示意，未完全画出），其材质为 NL 460。该部件由德国
进口，材质及生产工艺均保密，NL890、NL460 两种材质编号为翻阅该部件维修说明
获得，但经查阅德国及欧洲相关标准，并未找到此编号钢种。该部件价值约 300 万人
民币，且在吊车使用过程中起着至关重要的作用，因此，蓝吊委托我公司对该部件过火
区域进行非破坏性检验。
二、试验分析
1. 微观组织分析
图 1 超起杆杆头示意图 协会之窗 55
在不破坏工件的前提下进行金相检验，我们选用的是金相复型技术。在主弦管和桁
管的过火区域各取若干点，未过火区域各取一点进行复型检验。由于材质及热处理状态
未知，事先准备了 4%的硝酸酒精及三氯化铁盐酸溶液两种侵蚀剂。金相抛光后，利用
4%的硝酸酒精侵蚀，用便携式显微镜观察可见清晰的金相组织，并无假相，由此可推
断，该两种材质均为碳钢或者低合金钢。
对比图 2 和图 3可见，从主弦管原始组织看具有较明显的针状形态，且碳化物和铁
素体基本成 50°～60°的交角，因此可判断为下贝氏体。而经火烧后的过火区域组织
针状消失，变为回火索氏体。
对比图 4 和图 5可见，桁管原始组织为珠光体+铁素体，经火烧后的过火区域组织
无明显变化。
图2 主弦管未过火区域金相复型组织 图 3 主弦管过火区域金相复型组织
图4 桁管未过火区域金相复型组织 图5 桁管过火区域金相复型组织 56 协会之窗
2. 成分分析
在 1.1 金相检验的点上，利用全定量光谱仪对其成分进行分析，成分证实了金相检
验过程中对其成分的猜测，结果见下表：
表1 全定量光谱成分分析结果
检验位置
含量
C% Si% Mn% P% S% Cr% Mo% W%
主弦管未过火
区
0.182 0.40 1.63 0.034 0.01 0.31 0.43 0.50
主弦管过火区 0.108 0.28 1.49 0.027 0.01 0.111 0.145 0.35
桁管为过火区 0.192 0.27 1.44 0.032 0.01 0.17 / /
桁管过火区 0.201 0.28 1.44 0.032 0.01 0.20 / /
表 1 中可以看出，主弦管过火后脱碳现象较明显，且合金元素也有不同程度的减少。
而桁管过火后和原材成分基本没有差别。
3. 硬度检验
由于不能进行破坏行力学性能试验，只能利用便携式里氏硬度计在部件上选取典型
位置进行现场检验。检验结果见下表（硬度测点编号见图 1）：
表 2 硬度检验结果
测点编号 1 2 3 4 5 6 7 3- 3+
硬度值
（HB）
233 231 214 135 140 220 136 223 225
测点编号 3++ 4- 4+ 5- 5+ 6-- 6- 6+ /
硬度值
（HB）
227 140 138 135 133 223 210 217 /
从硬度检验结果上看，主弦管过火后硬度有所降低，且从过火区域不同测点硬度值
的规律上可粗略找到火烧的中心区域。而桁管过火前后硬度值基本没有变化。 协会之窗 57
4 CH Fe 3 H 2 C Fe
CO H Fe 3 O H C Fe
CO 2 Fe 3 CO C Fe
CO Fe 3 O C Fe
2 3
2 2 3
2 3
2 2 3
+ → +
+ + → +
+ → +
+ → +
三、分析与讨论
从前述试验结果中可知，火烧改变了主弦管的组织成分及性能，对桁管影响不大。
因此，以下主要针对主弦管进行讨论。
1. 各种变化的成因分析
从图 3 中可以看出经火烧后，主弦管下贝氏体组织中析出的碳化物已经聚集长大并
球化，转变为回火索氏体，说明火烧温度及时间已经达到了高温回火的条件。较马氏体
来说贝氏体过饱和碳含量低，碳化物粗大稳定，加之贝氏体中位错密度比马氏体低，这
些因素都将使渗碳体溶解速度减慢，从而推迟了合金碳化物的析出和转换，因此下贝氏
体有着较高的回火稳定性。文献【1】
火烧过程中必定导致钢表面有脱碳层，而本次检验为非破坏性检验，打磨仅去掉工
件表面很薄一层金属，未完全去除脱碳层的情况下进行成分分析，其结果必定显示碳含
量偏低。脱碳层的厚度与受热温度及受热时间有着规律性的联系，当受热温度超过
600℃时，钢表面的碳化物开始同气体发生反应产生脱碳。在高温条件下，钢的脱碳主
要由以下反应完成
指出，一般下贝氏体回火时碳化物析出球化的温度
在 600℃~700℃。另外，据货车司机描述，燃烧持续时间约 30min，当时室外温度约
为-5℃，假如回火温度已超过AC1 点，在表面加热且温度及其不均匀的情况下 30min
内不可能完全奥氏体化，因此冷却后必有奥氏体长大的痕迹，而观察过火后金相组织并
未见此现象，由此可断定，着火时部件受热的最高温度约为 650℃左右。
【2】
：
其具体的脱碳过程又可分为以下几个步骤：①碳化物的分解；②碳的扩散；③发生反应
生成气体；④离开金属表面。其中碳化物的分解和碳的扩散式影响脱碳程度的控制因素。
因为在初期表面碳反应完了以后，碳需要从钢的内部扩散至表面，与气体接触面发生反
应。从扩散的一般规律可知，要使扩散进行得快，必须要有大的驱动力（浓度梯度）和
足够高的温度。碳原子有芯部向表面的扩散式脱碳得以进行并获得一定深度脱碳层所必58 协会之窗
须的，扩散的驱动力是芯部与表面见的碳浓度梯度。参考文献【3】
现场的硬度检测也仅代表了脱碳层的表面硬度，碳含量降低了，硬度必然有所下降。
中实例：在敞开气氛
下 65Mn钢加热 700℃持续 40min，脱碳层厚度约为 50μm。由此可推断，部件过火
区域最大脱碳层厚度不会超过 50μm。至于表 1 中显示主弦管过火区域成分中金属元素
含量的差别，由于非破坏性检验，不能考证深层成分，且分析手段有限，此次未能得到
较合理的解释。
2. 对力学性能影响的推断
贝氏体钢与非调制钢相比具有更高的塑性和韧性，与回火马氏体钢相比，具有更高
的抗疲劳性能（包括冲击疲劳，应变疲劳）和耐磨性能【4】
索氏体是由贝氏体碳化物析出而得到，因此他们之间不存在界面问题。从硬度值上
看，索氏体组织的硬度稍低于贝氏体。这便相当于在强硬的基体表面附着一层韧性好而
强度与基体相当的覆盖层，当工件受弯曲应力时，表面的应力最大，索氏体的弹性变形
可以缓解表面应力过大。因此，我认为，火烧对主弦管性能不会有明显影响。
。而回火索氏体其本事是珠
光体，是钢的高温转变产物，是片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织，因其具有良好
的综合机械性能，一般调质钢最终要求得到的即为回火索氏体组织。
四、结论
1. 主弦管为过火组织为下贝氏体，过火后表层组织为回火索氏体，过火后表层有＜
50μm的脱碳层，硬度略有降低；桁管过火前后组织、成分、硬度均无明显变化。
2. 过火后对主弦管使用性能不会有明显影响。
参考文献
[1]许亚娟.回火工艺对贝氏体钢轨组织性能的影响研究,博士论文，2002
[2] 陈鸿海等.金属腐蚀学[M].北京理工大学出版社,1992
[3]段正祥.利用菲克扩散定律计算脱碳层厚度,[J].锻压设备与制造技术，2008
（4）:73~75
[4] 陈朝阳，周清跃.钢轨用空冷贝氏体钢性能及组织的研究[J].中国铁道科学，2002
