塔吊螺栓疲勞斷裂原因分析
固定塔吊標準節(jié)六角頭螺栓，規(guī)格為M30×345，表面電鍍黃鋅，材質(zhì)為35CrMo，用于固定一臺63t•m塔吊標準節(jié)，在服役大約5個月后斷裂，斷裂螺栓有塑性變形，可能有過載。使用期間在檢修過程中曾發(fā)現(xiàn)螺栓松動，并進行過擰緊處理。
對斷裂件檢查，圖1所示為斷裂螺栓，可見斷裂面位于螺紋收尾處牙底。
圖11-1 螺栓斷裂形貌
斷口檢查，圖11-2為斷口宏觀形貌，可見斷口附近無明顯宏觀塑性變形，斷面上部平坦表面有清晰的疲勞弧線花樣，其面積約占整個斷面面積的一半；下部斷面與螺栓軸向約成450。可見，該斷口為典型的疲勞斷口，疲勞源位于圖11-1所示螺紋牙底。
圖11-2 斷面宏觀形貌
圖11-3所示為斷口疲勞源區(qū)掃描電鏡形貌，可見表面有明顯磨損痕跡。圖11-4所示為疲勞擴展區(qū)宏觀形貌，可見疲勞弧線。
圖11-3 疲勞源區(qū)電鏡形貌 圖11-4 疲勞裂紋擴展區(qū)宏觀形貌
圖11-5疲勞擴展區(qū)微觀形貌，可見疲勞條帶，間距約為2μm。圖11-6為最終斷裂區(qū)微觀形貌，可見一系列等軸韌窩。
圖11-5 疲勞裂紋擴展區(qū)微觀形貌 圖11-6 瞬斷區(qū)微觀形貌
金相檢查，除上述已經(jīng)斷裂的主裂面外，在未斷裂的殘件上與主裂面起裂處同一側(cè)的螺紋牙底也發(fā)現(xiàn)了一條裂紋，如圖11-7所示。
圖11-7 裂紋宏觀形貌
沿螺栓軸向?qū)⒙菟ㄆ书_，觀察裂紋的橫截面，發(fā)現(xiàn)該裂紋走勢挺直，無分支裂紋，兩側(cè)有鋸齒狀擠壓痕跡，裂紋開口處的螺紋牙底無折疊缺陷；經(jīng)腐蝕后發(fā)現(xiàn)螺紋牙底有脫碳跡象，裂紋兩側(cè)碳勢正常，分別如圖11-8、圖11-9所示。
圖11-10所示為螺栓金相組織，為回火索氏體和少量鐵素體。
圖11-8 裂紋橫截面宏觀形貌 圖11-9 裂紋橫截面金相
圖11-10 螺栓金相組織
采用直讀光譜法對螺栓進行化學成分分析，其化學成分符合相關(guān)標準中對35CrMo鋼的要求，
對斷裂螺栓進行力學性能檢測，受檢各項指標均符合標準《GB/T 3098.1-2010》的規(guī)定如表11-1。
表11-1 斷裂螺栓力學性能檢測值
圖11-11 螺紋表面硬度分布
螺栓斷面宏觀上存在明顯的疲勞弧線花樣，為典型的疲勞斷裂，瞬斷區(qū)面積約占螺栓橫截面積的一半，由此可推斷螺栓斷裂時承受中等應(yīng)力，結(jié)合螺栓的實際安裝、使用情況可知，每一節(jié)標準節(jié)均由8個螺栓固定，以兩個為一組來固定其中的一個角。安裝時憑工人經(jīng)驗來預緊，這就很難保證所有螺栓預緊力一致，實際工況中經(jīng)常出現(xiàn)螺栓松動的情況。塔吊在運行過程中，由于頻繁起重及轉(zhuǎn)動，使螺栓除受軸向預緊力外還額外受到交變彎曲及剪切載荷，當其中一個螺栓松動時，另外一個螺栓勢必將承受更大載荷而使其在屈服狀態(tài)下工作。
螺栓服役期間，在檢修過程中曾發(fā)現(xiàn)螺栓松動，并進行過擰緊處理，這極有可能因過載使螺栓產(chǎn)生塑性變形。
由于螺栓表面脫碳使其疲勞強度降低，螺栓在上述工作狀態(tài)中，在過載應(yīng)力作用下，首先在應(yīng)力集中的牙底產(chǎn)生微裂紋，微裂紋在交變彎曲載荷下成為疲勞裂紋源；裂紋產(chǎn)生后在交變彎曲載荷下不斷擴展直至螺栓發(fā)生失穩(wěn)疲勞斷裂。
根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：
（1）螺栓斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。
（2）故障螺栓表面脫碳使其疲勞強度降低，安裝過載造成牙底產(chǎn)生微裂紋，微裂紋在交變彎曲載荷下成為疲勞裂紋源，裂紋在交變彎曲載荷下不斷擴展至螺栓疲勞斷裂。
（3）螺栓安裝時按規(guī)定的扭矩預緊，并嚴格按規(guī)定的順序安裝，使各個螺栓達到一致的預緊力。
（4）增加檢修頻次，發(fā)現(xiàn)松動螺栓應(yīng)及時擰緊或者進行更換。
（5）防止安裝過載和檢修擰緊過載，當發(fā)現(xiàn)螺栓變形應(yīng)及時更換。
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