高強度螺栓廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、鐵路橋梁、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。螺栓失效一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點,對螺栓失效進(jìn)行研究具有重要意義,螺栓失效的原因有很多。宋艷雙等[1]發(fā)現(xiàn)長期在潮濕環(huán)境下服役的螺栓會發(fā)生氫致斷裂；任智銓等[2]發(fā)現(xiàn)異金屬夾雜物伴生微裂紋,造成螺栓斷裂；王甲安等[3]發(fā)現(xiàn)螺紋表面脫碳萌生微裂紋,最終導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂；李玉軍[4]對裂紋的形成、擴(kuò)展、延伸和破壞4個階段進(jìn)行理論分析,提出了有效避免螺栓疲勞損傷的方法；文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)梳理和總結(jié)了螺栓最常見的兩種失效形式,即松動與疲勞。 

某起重機(jī)用螺栓性能等級為12.9級,材料為35CrMoA鋼。該螺栓在服役過程中發(fā)生斷裂,斷裂源位于螺栓頭部與桿部連接處,服役環(huán)境無腐蝕性介質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)場反饋,螺栓在服役過程中發(fā)生松動。螺栓的主要生產(chǎn)工藝為：歸圓→校直→切料→車牙徑→熱鍛六角頭→滾絲→調(diào)質(zhì)(淬火溫度為850 ℃,回火溫度為540 ℃)。圖1為斷裂螺栓實物照片。筆者采用一系列理化檢驗方法對塔式起重機(jī)用高強度螺栓的斷裂原因進(jìn)行分析,并給出相關(guān)建議,以避免該類問題再次發(fā)生。 

圖  1  斷裂螺栓實物照片

1.   理化檢驗

1.1   螺栓頭下圓角半徑測量

螺栓頭部與桿部連接處的受力面積突然變化,容易在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中,故需測量螺栓頭下圓角半徑。試樣經(jīng)切割、鑲嵌和研磨后,采用體視顯微鏡測量螺栓頭下圓角半徑,結(jié)果為1.8 mm(見圖2)。根據(jù)GB/T 3105—2002 《普通螺栓和螺釘 頭下圓角半徑》,螺紋直徑為16 mm,對應(yīng)的頭下圓角半徑最小值為0.6 mm,故該螺栓符合要求。 

圖  2  螺栓頭下圓角半徑測量示意

1.2   化學(xué)成分分析

在斷裂螺栓上截取試樣,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》,采用直讀光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。 

由表1可知：螺栓的化學(xué)成分均符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對35CrMoA鋼的要求。 

1.3   力學(xué)性能測試

根據(jù)GB/T 230.1—2018 《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》,使用洛氏硬度計在斷裂螺栓的末端平面及距離末端1倍直徑的橫截面處進(jìn)行硬度測試,結(jié)果如表2所示。根據(jù)GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》,使用萬能材料試驗機(jī)對斷裂螺栓進(jìn)行拉伸性能測試,結(jié)果如表3所示。由表2～3可知：斷裂螺栓的硬度及拉伸性能均符合GB/T 3098.1—2010 《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對12.9級螺栓的要求。 

1.4   低倍檢驗

根據(jù)GB/T 226—2015 《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》及GB/T 1979—2001 《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》,對螺栓斷口附近橫截面進(jìn)行低倍檢驗,結(jié)果如表4和圖3所示。由表4可知：該螺栓的低倍組織符合GB/T 3077—2015對35CrMoA高級優(yōu)質(zhì)鋼的要求。 

圖  3  斷裂螺栓的低倍檢驗形貌

1.5   斷口分析

螺栓斷口經(jīng)超聲波清洗后,采用體視顯微鏡對斷口進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：螺栓斷口附近無明顯的宏觀塑性變形,斷口上下兩側(cè)較光滑并分布有貝紋線,呈明顯的金屬疲勞斷裂特征[6]；疲勞源位于A區(qū)域和E區(qū)域,由于疲勞區(qū)B面積大于疲勞區(qū)F,因此疲勞源A早于疲勞源E產(chǎn)生,隨后兩側(cè)疲勞裂紋同時向心部擴(kuò)展并形成疲勞區(qū),區(qū)域C和D為瞬斷區(qū),斷口較粗糙,是裂紋最后失穩(wěn)并快速擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域。 

圖  4  斷口宏觀形貌

利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：A區(qū)域和E區(qū)域呈磨損形貌,斷面不斷受到摩擦擠壓,是裂紋萌生的起始位置；B區(qū)域和F區(qū)域呈疲勞條紋形貌,疲勞條紋是疲勞斷口最典型的微觀特征[6]；C區(qū)域呈韌窩形貌,D區(qū)域則呈沿晶斷裂形貌,由此可見,瞬斷區(qū)是由韌窩和沿晶斷裂組合成的混合形貌。綜合斷口各區(qū)域的形貌特征,可以判斷該斷口呈典型的疲勞斷裂特征。 

圖  5  螺栓斷口的SEM形貌

1.6   金相檢驗

沿螺栓斷口附近縱向截面截取試樣,按GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》方法A對非金屬夾雜物進(jìn)行測試,結(jié)果如表5所示。由表5可知：斷裂螺栓的非金屬夾雜物含量符合GB/T 3077—2015對高級優(yōu)質(zhì)鋼的要求。斷裂螺栓非金屬夾雜物評定結(jié)果如圖6所示。 

圖  6  斷裂螺栓非金屬夾雜物評定結(jié)果

沿螺栓斷口附近橫向截面截取試樣,根據(jù)GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》中的比較法進(jìn)行奧氏體平均晶粒度評定,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：奧氏體平均晶粒度級別為10.0級,符合GB/T 3077—2015的要求(不粗于5級)。 

圖  7  斷裂螺栓奧氏體平均晶粒度評定結(jié)果

在螺栓斷口附近橫向及縱向截面截取金相試樣,對試樣進(jìn)行磨光、拋光和腐蝕后,根據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》用光學(xué)顯微鏡對試樣進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8～9可知：螺栓近表面顯微組織為回火索氏體,未發(fā)現(xiàn)脫碳及其他明顯缺陷,心部組織為回火索氏體＋少量鐵素體；裂紋源處不存在脫碳、表面微裂紋等缺陷。 

圖  8  螺栓斷裂處橫截面顯微組織形貌

圖  9  螺栓斷裂處縱截面顯微組織形貌

2.   綜合分析

螺栓斷裂部位為頭部與桿部連接處,經(jīng)測量,螺栓頭下圓角半徑為1.8 mm,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,說明螺栓斷裂原因不是頭下圓角半徑不足引起的應(yīng)力集中。斷裂螺栓的化學(xué)成分、力學(xué)性能、低倍組織、晶粒度、非金屬夾雜物含量和顯微組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。斷裂位置表面未發(fā)現(xiàn)脫碳、微裂紋等缺陷。斷口分析結(jié)果顯示,斷裂面兩側(cè)存在磨損現(xiàn)象,說明斷裂位置不斷地受到摩擦擠壓,這與現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)螺栓在使用過程中存在松動的現(xiàn)象相吻合。螺栓發(fā)生松動后未將其及時擰緊,從而產(chǎn)生較大的附加彎曲應(yīng)力,在螺栓的局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中是疲勞破壞的根源[5],導(dǎo)致在螺栓對稱的兩側(cè)形成疲勞源,并萌生疲勞微裂紋。隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加,兩側(cè)疲勞微裂紋逐漸長大并向心部擴(kuò)展形成疲勞區(qū),使螺栓的有效承載面積不斷縮小。當(dāng)裂紋長大到臨界尺寸時,裂紋尖端的應(yīng)力集中達(dá)到螺栓的斷裂強度時,裂紋失穩(wěn)并快速擴(kuò)展,導(dǎo)致螺栓發(fā)生瞬時斷裂。 

3.   結(jié)論與建議

螺栓斷裂原因為：螺栓在服役過程中發(fā)生松動,并未及時將其擰緊,產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力,在螺栓的局部造成應(yīng)力集中,形成疲勞源,導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象。螺栓在服役過程中產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。建議按有關(guān)規(guī)程對螺栓進(jìn)行預(yù)緊,并定期檢查其使用狀況,發(fā)現(xiàn)松動時按要求及時將螺栓擰緊。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)