地磅是汽車運(yùn)輸物資的常用計(jì) 量設(shè)備，金堆城鉬業(yè)股份有限公司在2003 年10月份安裝了 1臺(tái)100噸地磅， 主要用于公司自產(chǎn)硫精礦、鐵精礦、銅精 礦以及外購原煤等物料入庫和出庫的計(jì) 量。該地磅在使用一年后發(fā)現(xiàn)其計(jì)量誤 差較大，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有部分傳感器已傾斜， 垂直度不夠，取出1只傳感器后發(fā)現(xiàn)傳感 器彈性體六角頭已開裂，將其余7只傳感 器取出發(fā)現(xiàn)均有此現(xiàn)象。另外，部分傳感 器彈性元件一側(cè)有明顯磨損，更換傳感器 后運(yùn)行正常。2005年底此現(xiàn)象再次發(fā)生， 該地磅傳感器平均使用壽命低于一年。 為了徹底解決此問題，對(duì)開裂的傳感器彈 性體進(jìn)行綜合分析，并校正傳感器，使之 保持垂直。通過改進(jìn)傳感器熱處理工藝， 提高了彈性體抗應(yīng)力腐蝕系數(shù)。

傳感器彈性體開裂原因

1.試驗(yàn)方法。采用光學(xué)顯微鏡和掃描 電鏡分析失效彈性體裂紋和斷口特征，掃 描電鏡型號(hào)JXA-840AEPMA;用X衍 射技術(shù)分析失效彈性體表面殘留物成分， X衍射儀型號(hào)D/max — rC，掃描角度 10°?80°，掃描速度3°/min;用ANSYS 有限元軟件分析彈性體受載時(shí)彈性體六角 頭應(yīng)力分布。

2.失效分析。失效開裂2Cr13彈性體 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如下：C為0.195%，Mn 為 0. 23%，P 為 0. 027%，S 為 0. 01%， Si 為 0.50%，Cr 為 12.52%，Ni 為 0.12%， Cu為0.12%，V為0.02%，其余為Fe。彈 性體采用真空熱處理，彈性體屈服強(qiáng)度要 求大于1000MPa。沿失效彈性體縱向制備 小型拉伸試棒測(cè)試力學(xué)性能，結(jié)果為抗拉 強(qiáng)度1470MPa,屈服強(qiáng)度1100MPa，延伸 率11.5%，斷面收縮率50%，硬度46HRC。 彈性體工作時(shí)，六角頭部位垂直朝下，彈 性體六角頭與連接件接觸，該彈性體工作 時(shí)承受的垂直壓力一般在10?30噸之間。 表面殘留物提取及清洗后，失效2Cr13彈 性體如圖1(a)所示。六角頭上出現(xiàn)多條裂 紋，裂紋均起源于六角頭側(cè)面，然后向六 角頭心部延伸。在距離彈性體端部6mm深處橫向切開六角頭，試樣經(jīng)研磨拋光和超 聲波清洗。圖1(b)顯示，該部位彈性體已 被裂紋貫穿，距離彈性體端面一定距離處 要先于彈性體端面形成貫穿裂紋，這和彈 性體受壓時(shí)六角頭端面受壓應(yīng)力而側(cè)面一 定范圍內(nèi)受拉應(yīng)力有關(guān)。

選取圖1(b)中C、D部位制備試樣， 試樣經(jīng)酸蝕后微觀組織分別對(duì)應(yīng)于圖（c) 和圖（d)，基體為回火馬氏體組織，晶粒 度7級(jí)。由圖1(c)、1(d)可見，裂紋起源 于彈性體表面，然后沿晶界向內(nèi)部發(fā)展， 并呈“樹根”狀分布。用X衍射技術(shù)分析失 效彈性體表面殘留物成分，殘留物X衍射結(jié)果見圖2。X衍射結(jié)果顯示彈性體使用

環(huán)境中含有大量硫化物，掃描電鏡能譜進(jìn) 一步分析表明，殘留物中硫元素含量達(dá)到 4.0%(重量百分比）

采 用 ANSYS 有 限 元 軟 件， 選 用 Solid45單元建模并分析彈性體軸向受載 30噸時(shí)的應(yīng)力分布，彈性體六角頭分析結(jié) 果見圖3。六角頭端面是半徑為160mm球 面，彈性體軸向受壓時(shí)，六角頭端面受壓 應(yīng)力，邊緣受拉應(yīng)力，應(yīng)力是從六角頭中心部位受壓逐步向邊緣受拉過渡。計(jì)算表 明，六角頭最大拉應(yīng)力不在端面邊緣，而 是在距離端面6?9mm處六角頭側(cè)面的 小平面上（圖1(a)箭頭所示），六角頭側(cè) 面上周向最大拉應(yīng)力為127MPa(圖3中 MX表示）。有限元分析結(jié)果和圖1 (a)、1(b)裂紋特征一致。

失效彈性體化學(xué)成分、力學(xué)性能和晶 粒度的測(cè)試結(jié)果正常，彈性體采用真空熱 處理，加之該彈性體材料碳含量為0.195% ，可排除淬火裂紋可能性。由圖1可知，失 效彈性體存在多個(gè)裂紋源，裂紋沿晶界擴(kuò) 展，并呈“樹根”狀分布，裂紋具有應(yīng)力腐 蝕特征。拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)是金屬發(fā)生應(yīng) 力腐蝕開裂的兩個(gè)必備外部條件。有限元 分析表明，當(dāng)彈性體受30噸加載時(shí)，彈性 體六角頭側(cè)面存在最大127MPa拉應(yīng)力，雖 然拉應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度，但對(duì)于 應(yīng)力腐蝕開裂，當(dāng)拉應(yīng)力超過該材料應(yīng)力 腐蝕開裂門檻值時(shí)裂紋即萌生和擴(kuò)展。失 效彈性體表面殘留物分析結(jié)果表明，該彈 性體使用環(huán)境中存在大量FeS2，硫含量達(dá) 到4.0%。在硫化物環(huán)境中，不銹鋼抗應(yīng)力 腐蝕開裂能力將被大大削弱，硫化物致使不銹鋼開裂已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，這些研 究認(rèn)為，硫化物開裂實(shí)際上是氫脆所致。 2Cr13雖屬不銹鋼，但其碳高、鉻低，中溫 回火可導(dǎo)致晶界貧鉻和回火脆性，促進(jìn)應(yīng) 力腐蝕開裂。

此外，因彈性元件性能需要，彈性體 屈服強(qiáng)度高于1000MPa，在硫化物環(huán)境中， 當(dāng)不銹鋼強(qiáng)度超過690MPa，材料將有明顯 應(yīng)力腐蝕傾向，應(yīng)力腐蝕傾向隨材料強(qiáng)度 增加而顯著。

改進(jìn)措施

傳感器彈性體選用2Cr13馬氏體不銹 鋼，2Cr13淬火 后經(jīng)高溫回火具有 良好的抗弱腐蝕介質(zhì) 能力和綜合機(jī)械性能，其 調(diào)質(zhì)態(tài)組織在汽輪機(jī)、醫(yī)療器 械和塑料模具等行業(yè)得到廣泛應(yīng) 用。中溫回火條件下，2Cr13鋼還具有較高的屈強(qiáng)比和優(yōu)良的滯彈性、常溫 蠕變等性能，該鋼還可作為稱重傳感器彈 性體使用。作為傳感器的關(guān)鍵元件，彈性 體強(qiáng)度對(duì)傳感器性能起到至關(guān)重要作用。 為保證傳感器計(jì)量性能，對(duì)傳感器彈性體 加工工藝采取兩點(diǎn)改進(jìn)措施：①不銹鋼淬 火溫度控制在1000°C左右，采用保護(hù)氣氛 或真空，延長(zhǎng)回火時(shí)間，回火溫度控制在 200C?250C之間；②采用電鍍——鍍銘 的表面處理方法。經(jīng)調(diào)整彈性體熱處理工藝和表面處理方式，2Cr13彈性體熱處理 后屈服強(qiáng)度要求高于1000MPa。試驗(yàn)表明， 新工藝傳感器應(yīng)力腐蝕開裂敏感性指數(shù)從 以前的70%降到了 12%。

應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證

1.應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。采用慢應(yīng)變應(yīng)力 腐蝕試驗(yàn)方法（SSRT)驗(yàn)證和對(duì)比工藝改 進(jìn)前后2Cr13彈性體抗應(yīng)力腐蝕能力，應(yīng) 力腐蝕試驗(yàn)條件：常溫，應(yīng)變速率4.17 X10-5S-1，3. 5%NaCl + 0.5 % HAc 水 溶液。有限元分析表明，當(dāng)彈性體受30 噸加載時(shí)，彈性體六角頭側(cè)面存在最大 103MPa拉應(yīng)力，較未改進(jìn)工藝前有所減 小。

2.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證。該傳感器生產(chǎn)工藝 改進(jìn)后，于2006年7月份安裝應(yīng)用，至今 未出現(xiàn)類似現(xiàn)象，其計(jì)量性能良好，該地磅經(jīng)多次檢定均合格，且檢定數(shù)據(jù)證明 各項(xiàng)指標(biāo)良好，改進(jìn)后的傳感器性能良好 現(xiàn)仍在應(yīng)用。

結(jié)論

1.應(yīng)力腐蝕開裂是GD傳感器開裂的 根本原因。硫化物環(huán)境和彈性體受載時(shí)六 角頭側(cè)面形成的拉應(yīng)力是GD彈性體應(yīng)力 腐蝕開裂的誘導(dǎo)因素。

2.經(jīng)調(diào)整彈性體熱處理工藝和表面 處理方式，SSRT試驗(yàn)表明，新GD應(yīng)力 腐蝕開裂敏感性指數(shù)從以前的70%降到了 12%。

3.特殊環(huán)境下工業(yè)企業(yè)在選擇地磅時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)使用環(huán)境加以明示，并保證地磅的使用環(huán)境達(dá)到使用要求。