吊塔高強(qiáng)度螺栓斷裂原因分析

六角頭螺栓，規(guī)格為M27×280，性能等級(jí)為10.9級(jí)，表面鍍彩鋅。該螺栓安裝在塔吊底部與基礎(chǔ)連接處，安裝約3、4個(gè)月后發(fā)生斷裂。

螺栓斷裂部位為頭桿部結(jié)合的過(guò)渡區(qū)，斷口無(wú)明顯宏觀塑性變形，兩斷口可良好配合。

六角頭螺栓斷裂件斷裂形貌，見(jiàn)圖11-46。

螺栓頭部斷口，整個(gè)斷面可見(jiàn)明顯的疲勞斷裂特征，斷面平滑，有明顯的脆性疲勞擴(kuò)展特征，圖中箭頭處為疲勞源區(qū)，見(jiàn)圖11-47。

疲勞擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞條帶，疲勞擴(kuò)展區(qū)占整個(gè)斷口面積的80%以上，圖11-48白色箭頭所指深色區(qū)域?yàn)樽罱K斷裂區(qū)，占整個(gè)斷口面積小于10%。

                        圖11-46 斷裂螺栓

圖11-47  桿部斷口宏觀形貌             圖11-48 頭部斷口宏觀形貌

桿部斷口的四周有碰撞變形痕跡，斷裂源外表面有明顯磨損痕跡，桿部斷裂處斷裂源側(cè)面的磨損痕跡，見(jiàn)圖11-49。

圖11-50為斷裂源區(qū)域形貌，可見(jiàn)許多細(xì)小臺(tái)階；疲勞條帶方向?yàn)槠跀U(kuò)展區(qū)。根據(jù)斷口各區(qū)域的面積比，可確定螺栓斷口為低應(yīng)力高周疲勞斷口。

圖11-49 桿部斷口斷裂源側(cè)面磨損痕跡          圖11-50  疲勞源區(qū)域宏觀形貌

在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，疲勞源區(qū)域存在磨損凹坑、疤痕和微裂紋未發(fā)現(xiàn)夾雜和冶金缺陷（圖11-51、圖11-52）；疲勞擴(kuò)展區(qū)二次裂紋和撕裂棱比較明顯，疲勞條帶少、短、間距小，屬高周疲勞特征（圖11-53、圖11-54）；圖11-55為最后斷裂的韌窩特征，該區(qū)域僅出現(xiàn)在斷口邊緣很小部分,說(shuō)明最后斷裂時(shí)應(yīng)力較小 。

圖11-51 疲勞源形貌                      圖11-52 表面磨損疤痕和微裂紋

圖11-53 擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶                     圖11-54疲勞條帶放大像  

  圖11-55 最后斷裂的韌窩特征

硬度檢測(cè),在斷口附近對(duì)螺栓表面、心部硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果，表面硬度347、352、345 HV0.3；心部硬度324、320、328 HV10，螺栓的硬度值均符合技術(shù)要求，

沿?cái)嗫诳v向截取試塊，制成金相試樣，顯示顯微組織為均勻回火索氏體組織，見(jiàn)圖11-56。

圖11-56 螺栓顯微組織  

用直讀光譜法對(duì)螺栓化學(xué)成分進(jìn)行分析，化學(xué)成分符合《GB/T 3077-1999》40Cr鋼的要求。

檢測(cè)結(jié)果，螺栓的表面、心部硬度、金相組織和化學(xué)成分均符合要求。

從螺栓斷口宏觀和微觀分析可知，螺栓斷口為低應(yīng)力疲勞斷口，斷裂源位于斷口邊緣部位，該處有明顯的磨損痕跡，分析認(rèn)為斷裂螺栓頭桿結(jié)合處由于服役時(shí)長(zhǎng)期受到磨損使得表面產(chǎn)生不均勻的磨損擦傷,產(chǎn)生凹坑、微裂紋等缺陷，磨損缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌發(fā)微裂紋，在交變載荷的作用下，裂紋的不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了螺栓的斷裂。        

由于吊車(chē)底部和與基礎(chǔ)件都由多個(gè)螺栓連接固定，而發(fā)生斷裂螺栓總共只有幾只，推測(cè)斷裂螺栓可能由于安裝時(shí)擰緊力矩不足或安裝時(shí)螺栓與孔的配合不好導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，螺栓頭桿部結(jié)合的過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生磨損缺陷，缺陷處為斷裂源，在低應(yīng)力作用下疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，最后疲勞斷裂，

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）螺栓的斷裂是疲勞斷裂。

（2）引起螺栓斷裂的根本原因是螺栓頭桿部結(jié)合的過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生磨損缺陷，缺陷處為斷裂源，在低應(yīng)力作用下疲勞裂紋擴(kuò)展最后疲勞斷裂。

（3）螺栓安裝時(shí)一定要執(zhí)行安裝技術(shù)要求，保證擰緊力矩在技術(shù)要求范圍內(nèi)。

（4）螺栓安裝時(shí)注意或安裝時(shí)螺栓與孔的配合，防止因螺栓與孔的配合不好導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生磨損。