特種螺栓斷裂檢測內(nèi)容與失效分析

 8.8級40Cr制作的六角頭固定螺栓，規(guī)格M24×120mm，表面經(jīng)熱鍍鋅處理。螺栓用于管子間連接起固定作用,服役一段時(shí)間后發(fā)生斷裂。

斷裂位置為螺栓頭部與桿部結(jié)合處，斷口有銹斑，斷裂螺栓外觀見圖11-20。

斷口經(jīng)清洗后，宏觀上可見整個(gè)斷口上有少量銹斑，斷裂起源于一側(cè)的頭桿結(jié)合處（圖11-21），向另一側(cè)擴(kuò)展；起源處有輕微損傷痕跡。

疲勞源區(qū)可見疲勞臺階，源區(qū)附近的斷口表面平坦、光滑、細(xì)密，疲勞擴(kuò)展區(qū)斷面粗糙；整個(gè)斷口可見大量疲勞條帶和疲勞弧形，從疲勞弧線位置和區(qū)域判斷，斷口上瞬斷區(qū)面積很小，不到斷口總面積的5%。

圖11-20  斷裂螺栓形貌                          圖11-21 清洗前斷口宏觀形貌

斷口清洗后宏觀上可見疲勞弧線（圖11-22）。在掃描電鏡下對斷口進(jìn)行微觀觀察，疲勞源區(qū)的形貌可見較多臺階（圖11-22箭頭所指），裂紋源區(qū)有多條放射狀裂紋（圖11-23），

圖11-22 清洗后斷口宏觀形貌                 圖11-23 裂紋源多條裂紋

表明裂源區(qū)存在多個(gè)裂源，這些裂源均始于頭桿結(jié)合處，在疲勞擴(kuò)展區(qū)可看到疲勞條帶（圖11-24），斷面中心區(qū)域有較多孔洞（圖11-25）。

圖11-24 擴(kuò)展區(qū)解理形貌                  圖11-25 中心區(qū)域孔洞

在掃描電鏡下對斷口化學(xué)元素進(jìn)行能譜分析，在斷口的疲勞源和疲勞擴(kuò)展區(qū)均未發(fā)現(xiàn)其他腐蝕性元素存在。

用光譜法對斷口附近材料作化學(xué)成分檢測，表明螺栓材料成分符合《GB/T 3077-1999》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于40Cr鋼化學(xué)成分要求

取斷口附近橫截面進(jìn)行低倍缺陷分析，按照《GB/T1979-2001》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評級可評為中心疏松1.5級（圖11-26）

在斷口附近進(jìn)行硬度檢測，表面硬度相對心部硬度要低，檢測結(jié)果：表面硬度(HV0.3)238/227/225；心部硬度(HV10) 296/295/295，螺栓表面硬度和心部硬度均符合《GB/T 3098.1-2000》標(biāo)準(zhǔn)要求，

金相檢查，螺栓斷口附近的組織為正?；鼗鹚魇象w（圖11-27）；斷口附近桿部表面粗糙有細(xì)微缺陷，同時(shí)還有脫碳，脫碳層深度為0.07mm（圖11-28）。

圖11-26  1.5級中心疏松                 圖11-27  回火索氏體組織

圖11-28 桿部表面缺陷與脫碳

經(jīng)檢測螺栓的化學(xué)成分、顯微組織和心部硬度正常。

斷面中心區(qū)域的疏松在掃描電鏡下觀察為孔洞，是原材料本身的低倍缺陷。

用掃描電鏡對斷口進(jìn)行觀察和能譜分析，螺栓屬疲勞斷裂，其疲勞源和疲勞擴(kuò)展區(qū)的能譜分析，均未發(fā)現(xiàn)其他腐蝕性元素存，說明裂紋是在使用過程中發(fā)生和發(fā)展的。從疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的面積看，疲勞擴(kuò)展區(qū)面積大于整個(gè)斷口面積的90%，斷口上疲勞條帶細(xì)密，并且可見大量的疲勞條帶，說明螺栓在工作應(yīng)力下裂紋擴(kuò)展充分，名義應(yīng)力較低，螺栓疲勞屬低應(yīng)力高周疲勞；裂紋源區(qū)有多條臺階條紋，說明源區(qū)存在應(yīng)力集中。當(dāng)表面存在缺口、凹坑、尖角等缺陷時(shí)，就可能因應(yīng)力集中而形成臺階條紋，且出現(xiàn)多源疲勞，由于疲勞源區(qū)銹蝕其表面的缺陷已不好判定。通過斷口分析和金相剖面分析結(jié)果均表明疲勞裂紋起始于頭桿結(jié)合處的脫碳區(qū)域，并檢測到多個(gè)疲勞源和裂紋，疲勞源區(qū)的斷口形貌為韌窩形貌；

螺栓存在表面脫碳和表面缺陷，表面缺陷為加工造成；表面脫碳導(dǎo)致螺栓表面硬度下降，降低了螺栓的疲勞強(qiáng)度。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，螺栓本身允許存在一定程度的脫碳，螺栓表面輕微程度的脫碳在螺栓承受靜載荷力下影響不大，本例的螺栓安裝在室外，由于管子自然環(huán)境中會受到不同程度外界環(huán)境影響（如大風(fēng)，氣溫變化等），連接用的螺栓實(shí)際經(jīng)常受到交變應(yīng)力作用，在長期的交變應(yīng)力作用下，表面應(yīng)力集中的地方，因脫碳強(qiáng)度降低后就會成為裂紋的萌發(fā)源。螺栓頭桿結(jié)合處為應(yīng)力集中的地方，在螺栓的長期服役條件下，由于表面脫碳和存在加工缺陷，導(dǎo)致了此處疲勞強(qiáng)度的降低最終使得頭桿結(jié)合處成為疲勞源，并形成多源的疲勞裂紋，另外，螺栓還存在中心區(qū)域的疏松缺陷，使疲勞裂紋更容易擴(kuò)展，在長期的交變應(yīng)力作用下疲勞斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1） 螺栓的表面脫碳和損傷降低了螺栓的疲勞壽命，在應(yīng)力集中的地方形成多源的疲勞源，在長期的交變應(yīng)力作用下螺栓疲勞斷裂。

（2） 螺栓疲勞斷裂與表面脫碳和加工缺陷有關(guān)，也與中心區(qū)域的疏松有關(guān)。

（3） 對螺栓的原材料，加工過程進(jìn)行質(zhì)量控制。

（4） 定期更換此類螺栓。

（5） 設(shè)計(jì)采用抗疲勞性能更好的螺栓。