地磅是汽車運輸物資的常用計 量設備，金堆城鉬業股份有限公司在2003 年10月份安裝了 1臺100噸地磅， 主要用于公司自產硫精礦、鐵精礦、銅精 礦以及外購原煤等物料入庫和出庫的計 量。該地磅在使用一年后發現其計量誤 差較大，經檢查發現有部分傳感器已傾斜， 垂直度不夠，取出1只傳感器后發現傳感 器彈性體六角頭已開裂，將其余7只傳感 器取出發現均有此現象。另外，部分傳感 器彈性元件一側有明顯磨損，更換傳感器 后運行正常。2005年底此現象再次發生， 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，對開裂的傳感器彈 性體進行綜合分析，并校正傳感器，使之 保持垂直。通過改進傳感器熱處理工藝， 提高了彈性體抗應力腐蝕系數。

傳感器彈性體開裂原因

1.試驗方法。采用光學顯微鏡和掃描 電鏡分析失效彈性體裂紋和斷口特征，掃 描電鏡型號JXA-840AEPMA;用X衍 射技術分析失效彈性體表面殘留物成分， X衍射儀型號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彈性體六角 頭應力分布。

2.失效分析。失效開裂2Cr13彈性體 化學成分（質量分數）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，彈性體屈服強度要 求大于1000MPa。沿失效彈性體縱向制備 小型拉伸試棒測試力學性能，結果為抗拉 強度1470MPa,屈服強度1100MPa，延伸 率11.5%，斷面收縮率50%，硬度46HRC。 彈性體工作時，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。六角頭上出現多條裂 紋，裂紋均起源于六角頭側面，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 性體受壓時六角頭端面受壓應力而側面一 定范圍內受拉應力有關。

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

環境中含有大量硫化物，掃描電鏡能譜進 一步分析表明，殘留物中硫元素含量達到 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噸時的應力分布，彈性體六角頭分析結 果見圖3。六角頭端面是半徑為160mm球 面，彈性體軸向受壓時，六角頭端面受壓 應力，邊緣受拉應力，應力是從六角頭中心部位受壓逐步向邊緣受拉過渡。計算表 明，六角頭最大拉應力不在端面邊緣，而 是在距離端面6?9mm處六角頭側面的 小平面上（圖1(a)箭頭所示），六角頭側 面上周向最大拉應力為127MPa(圖3中 MX表示）。有限元分析結果和圖1 (a)、1(b)裂紋特征一致。

失效彈性體化學成分、力學性能和晶 粒度的測試結果正常，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 效彈性體存在多個裂紋源，裂紋沿晶界擴 展，并呈“樹根”狀分布，裂紋具有應力腐 蝕特征。拉應力和腐蝕介質是金屬發生應 力腐蝕開裂的兩個必備外部條件。有限元 分析表明，當彈性體受30噸加載時，彈性 體六角頭側面存在最大127MPa拉應力，雖 然拉應力值遠低于材料屈服強度，但對于 應力腐蝕開裂，當拉應力超過該材料應力 腐蝕開裂門檻值時裂紋即萌生和擴展。失 效彈性體表面殘留物分析結果表明，該彈 性體使用環境中存在大量FeS2，硫含量達 到4.0%。在硫化物環境中，不銹鋼抗應力 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報道，這些研 究認為，硫化物開裂實際上是氫脆所致。 2Cr13雖屬不銹鋼，但其碳高、鉻低，中溫 回火可導致晶界貧鉻和回火脆性，促進應 力腐蝕開裂。

此外，因彈性元件性能需要，彈性體 屈服強度高于1000MPa，在硫化物環境中， 當不銹鋼強度超過690MPa，材料將有明顯 應力腐蝕傾向，應力腐蝕傾向隨材料強度 增加而顯著。

改進措施

傳感器彈性體選用2Cr13馬氏體不銹 鋼，2Cr13淬火 后經高溫回火具有 良好的抗弱腐蝕介質 能力和綜合機械性能，其 調質態組織在汽輪機、醫療器 械和塑料模具等行業得到廣泛應 用。中溫回火條件下，2Cr13鋼還具有較高的屈強比和優良的滯彈性、常溫 蠕變等性能，該鋼還可作為稱重傳感器彈 性體使用。作為傳感器的關鍵元件，彈性 體強度對傳感器性能起到至關重要作用。 為保證傳感器計量性能，對傳感器彈性體 加工工藝采取兩點改進措施：①不銹鋼淬 火溫度控制在1000°C左右，采用保護氣氛 或真空，延長回火時間，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。經調整彈性體熱處理工藝和表面處理方式，2Cr13彈性體熱處理 后屈服強度要求高于1000MPa。試驗表明， 新工藝傳感器應力腐蝕開裂敏感性指數從 以前的70%降到了 12%。

應力腐蝕試驗和現場應用驗證

1.應力腐蝕試驗。采用慢應變應力 腐蝕試驗方法（SSRT)驗證和對比工藝改 進前后2Cr13彈性體抗應力腐蝕能力，應 力腐蝕試驗條件：常溫，應變速率4.17 X10-5S-1，3. 5%NaCl + 0.5 % HAc 水 溶液。有限元分析表明，當彈性體受30 噸加載時，彈性體六角頭側面存在最大 103MPa拉應力，較未改進工藝前有所減 小。

2.現場應用驗證。該傳感器生產工藝 改進后，于2006年7月份安裝應用，至今 未出現類似現象，其計量性能良好，該地磅經多次檢定均合格，且檢定數據證明 各項指標良好，改進后的傳感器性能良好 現仍在應用。

結論

1.應力腐蝕開裂是GD傳感器開裂的 根本原因。硫化物環境和彈性體受載時六 角頭側面形成的拉應力是GD彈性體應力 腐蝕開裂的誘導因素。

2.經調整彈性體熱處理工藝和表面 處理方式，SSRT試驗表明，新GD應力 腐蝕開裂敏感性指數從以前的70%降到了 12%。

3.特殊環境下工業企業在選擇地磅時，應當對使用環境加以明示，并保證地磅的使用環境達到使用要求。