高強度螺栓廣泛應用于工程機械、鐵路橋梁、汽車工業等領域。螺栓失效一直是業內關注的重點,對螺栓失效進行研究具有重要意義,螺栓失效的原因有很多。宋艷雙等[1]發現長期在潮濕環境下服役的螺栓會發生氫致斷裂；任智銓等[2]發現異金屬夾雜物伴生微裂紋,造成螺栓斷裂；王甲安等[3]發現螺紋表面脫碳萌生微裂紋,最終導致螺栓疲勞斷裂；李玉軍[4]對裂紋的形成、擴展、延伸和破壞4個階段進行理論分析,提出了有效避免螺栓疲勞損傷的方法；文獻[5]系統梳理和總結了螺栓最常見的兩種失效形式,即松動與疲勞。 

某起重機用螺栓性能等級為12.9級,材料為35CrMoA鋼。該螺栓在服役過程中發生斷裂,斷裂源位于螺栓頭部與桿部連接處,服役環境無腐蝕性介質。根據現場反饋,螺栓在服役過程中發生松動。螺栓的主要生產工藝為：歸圓→校直→切料→車牙徑→熱鍛六角頭→滾絲→調質(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用高強度螺栓的斷裂原因進行分析,并給出相關建議,以避免該類問題再次發生。 

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,容易在該處產生應力集中,故需測量螺栓頭下圓角半徑。試樣經切割、鑲嵌和研磨后,采用體視顯微鏡測量螺栓頭下圓角半徑,結果為1.8 mm(見圖2)。根據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   化學成分分析

在斷裂螺栓上截取試樣,根據標準GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》,采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。 

由表1可知：螺栓的化學成分均符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對35CrMoA鋼的要求。 

1.3   力學性能測試

根據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行硬度測試,結果如表2所示。根據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對斷裂螺栓進行拉伸性能測試,結果如表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GB/T 226—2015 《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》及GB/T 1979—2001 《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》,對螺栓斷口附近橫截面進行低倍檢驗,結果如表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高級優質鋼的要求。 

圖  3  斷裂螺栓的低倍檢驗形貌

1.5   斷口分析

螺栓斷口經超聲波清洗后,采用體視顯微鏡對斷口進行觀察,結果如圖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區域和E區域,由于疲勞區B面積大于疲勞區F,因此疲勞源A早于疲勞源E產生,隨后兩側疲勞裂紋同時向心部擴展并形成疲勞區,區域C和D為瞬斷區,斷口較粗糙,是裂紋最后失穩并快速擴展所形成的斷口區域。 

圖  4  斷口宏觀形貌

利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口,結果如圖5所示。由圖5可知：A區域和E區域呈磨損形貌,斷面不斷受到摩擦擠壓,是裂紋萌生的起始位置；B區域和F區域呈疲勞條紋形貌,疲勞條紋是疲勞斷口最典型的微觀特征[6]；C區域呈韌窩形貌,D區域則呈沿晶斷裂形貌,由此可見,瞬斷區是由韌窩和沿晶斷裂組合成的混合形貌。綜合斷口各區域的形貌特征,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 標準評級圖顯微檢驗法》方法A對非金屬夾雜物進行測試,結果如表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對高級優質鋼的要求。斷裂螺栓非金屬夾雜物評定結果如圖6所示。 

圖  6  斷裂螺栓非金屬夾雜物評定結果

沿螺栓斷口附近橫向截面截取試樣,根據GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》中的比較法進行奧氏體平均晶粒度評定,結果如圖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,對試樣進行磨光、拋光和腐蝕后,根據GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》用光學顯微鏡對試樣進行觀察,結果如圖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,未發現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,經測量,螺栓頭下圓角半徑為1.8 mm,滿足標準要求,說明螺栓斷裂原因不是頭下圓角半徑不足引起的應力集中。斷裂螺栓的化學成分、力學性能、低倍組織、晶粒度、非金屬夾雜物含量和顯微組織均符合標準要求。斷裂位置表面未發現脫碳、微裂紋等缺陷。斷口分析結果顯示,斷裂面兩側存在磨損現象,說明斷裂位置不斷地受到摩擦擠壓,這與現場人員發現螺栓在使用過程中存在松動的現象相吻合。螺栓發生松動后未將其及時擰緊,從而產生較大的附加彎曲應力,在螺栓的局部產生應力集中現象。應力集中是疲勞破壞的根源[5],導致在螺栓對稱的兩側形成疲勞源,并萌生疲勞微裂紋。隨著疲勞循環次數的增加,兩側疲勞微裂紋逐漸長大并向心部擴展形成疲勞區,使螺栓的有效承載面積不斷縮小。當裂紋長大到臨界尺寸時,裂紋尖端的應力集中達到螺栓的斷裂強度時,裂紋失穩并快速擴展,導致螺栓發生瞬時斷裂。 

3.   結論與建議

螺栓斷裂原因為：螺栓在服役過程中發生松動,并未及時將其擰緊,產生附加彎曲應力,在螺栓的局部造成應力集中,形成疲勞源,導致螺栓發生疲勞斷裂現象。螺栓在服役過程中產生彎曲應力。建議按有關規程對螺栓進行預緊,并定期檢查其使用狀況,發現松動時按要求及時將螺栓擰緊。 

文章來源——材料與測試網