35CrMo鋼高強(qiáng)螺栓斷裂失效分析

韓克甲, 趙曉輝, 李洪偉

(淄博市新材料研究所, 淄博 255040)

35CrMo鋼高強(qiáng)螺栓斷裂失效分析

韓克甲, 趙曉輝, 李洪偉

(淄博市新材料研究所, 淄博 255040)

某風(fēng)電廠鐵塔用緊固高強(qiáng)螺栓在使用一個(gè)月后于螺紋處出現(xiàn)多根斷裂現(xiàn)象。通過(guò)宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、斷口分析等方法對(duì)螺栓斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：失效高強(qiáng)螺栓螺紋處表面全脫碳層深度超標(biāo)，且脫碳層深度極不均勻，在全脫碳層最大深度處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，并造成螺栓表面部分區(qū)域的強(qiáng)度和抗疲勞性能下降，無(wú)法承受設(shè)計(jì)載荷，從而導(dǎo)致高強(qiáng)螺栓在此處出現(xiàn)應(yīng)力裂紋并最終發(fā)生疲勞斷裂失效。

高強(qiáng)螺栓；脫碳；應(yīng)力裂紋；疲勞斷裂

某風(fēng)電廠采購(gòu)一批鐵塔用緊固高強(qiáng)螺栓，螺栓規(guī)格為M24 mm×120 mm。該批螺栓在安裝使用一個(gè)月后出現(xiàn)多根螺栓斷裂現(xiàn)象，斷裂位置在螺栓與螺母咬合處的螺紋根部。該批螺栓材料為35CrMo鋼，生產(chǎn)工序?yàn)椋涸牧稀浒巍溴懗尚汀庸ぢ菁y→870 ℃油淬→清洗→470～485 ℃回火→表面鍍鋅處理等。筆者通過(guò)對(duì)失效螺栓進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相分析等理化性能試驗(yàn)，對(duì)其斷裂原因進(jìn)行了分析,并提出了改進(jìn)建議。

1 理化檢驗(yàn)

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured bolt

1.1 宏觀檢驗(yàn)

失效高強(qiáng)螺栓自螺紋根部斷裂，如圖1所示。斷口外緣可見(jiàn)明顯的點(diǎn)狀疲勞源，由疲勞源向內(nèi)發(fā)展的疲勞擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)逐次粗大的“年輪”狀條紋區(qū)，裂紋源對(duì)面是脆性斷裂的瞬斷區(qū)，可見(jiàn)斷口呈典型的疲勞斷裂特征[1]，如圖2所示。

圖2 螺栓斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the bolt

1.2 化學(xué)成分分析

在失效高強(qiáng)螺栓斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)各元素含量均符合GB/T 3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》[2]對(duì)35CrMo鋼成分的技術(shù)要求。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

取同批次3根未使用高強(qiáng)螺栓分別直接進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及緊固件保證應(yīng)力試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。可見(jiàn)實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)值偏低，保證載荷試驗(yàn)結(jié)果符合GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[3]中的相關(guān)技術(shù)要求。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured bolt (mass fraction) %

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Mechanics performance test results

1.4 硬度測(cè)試

依據(jù)GB/T 3098.1-2010對(duì)硬度的要求，在螺栓距離螺紋末端一倍處取一截面試樣，鑲嵌后磨平、拋光，用載荷為98 N(10 kgf)的維氏硬度計(jì)在螺栓表面及心部各測(cè)試3點(diǎn)硬度，結(jié)果見(jiàn)表3?？梢?jiàn)螺栓心部硬度符合技術(shù)要求，表面硬度明顯低于心部硬度，可判斷螺栓表面存在脫碳現(xiàn)象。用載荷為9.8 N(1 kgf)的維氏硬度計(jì)在螺栓表面進(jìn)行硬度梯度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3，可見(jiàn)全脫碳層深度大約為0.035 mm。

表3 斷裂螺栓硬度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Hardness test results of the fractured bolt HV10

圖3 斷裂螺栓表面硬度梯度測(cè)試結(jié)果Fig.3 Surface hardness gradient test results of the fractured bolt

1.5 金相檢驗(yàn)

在斷裂螺栓斷口疲勞源區(qū)域取金相試樣，制樣后在金相顯微鏡下觀察?；w顯微組織為中等粗細(xì)的回火索氏體，如圖4所示；螺紋全脫碳層深度為0.020～0.060 mm，脫碳層最大深度約0.062 mm，如圖5所示；全脫碳層中存在較多的應(yīng)力裂紋[4]，如圖6所示。

1.6 斷口分析

將螺栓斷口清洗干凈后放置于掃描電子顯微鏡(SEM)內(nèi)觀察。在圖7中可以清晰地看到，螺紋根部貝殼狀條紋相對(duì)于疲勞擴(kuò)展區(qū)更為密集光亮，可以斷定是最先形成的，屬于裂紋源。由圖8可見(jiàn)，斷面比較光滑并存在明顯貝紋線，為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。由圖9可見(jiàn)典型的撕裂韌窩形貌且斷面更為粗糙，為瞬斷區(qū)。

圖4 基體顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the matrix

圖5 螺紋處脫碳形貌Fig.5 Decarburization morphology of the thread

圖6 螺紋全脫碳層最大深度處及應(yīng)力裂紋形貌Fig.6 Morphology of the deepest decarburization layer and stress cracks of the thread

圖7 裂紋源SEM形貌Fig.7 SEM morphology of the crack source

圖8 裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌Fig.8 SEM morphology of the crack propagation area

圖9 瞬斷區(qū)SEM形貌Fig.9 SEM morphology of the fast fracture area

2 分析與討論

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，失效螺栓化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，但抗拉強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)值偏低，螺栓心部顯微組織為細(xì)小的回火索氏體，表層顯微組織發(fā)生全脫碳為鐵素體，螺栓螺紋處全脫碳層深度平均值為0.035 mm，且深度極不均勻,最大全脫碳層深度達(dá)到0.062 mm，全脫碳層深度不符合GB/T 3098.1-2010中螺紋全脫碳層深度不大于0.015 mm的要求。螺栓硬度測(cè)試結(jié)果顯示的表面硬度與心部硬度相差較大，也說(shuō)明了螺栓表面發(fā)生了嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象。全脫碳層的存在會(huì)降低鋼的耐磨性和抗疲勞性能，由于脫碳處抗疲勞性能很低，并且全脫碳層深度不均勻，從而在全脫碳層最大深度處產(chǎn)生應(yīng)力集中。螺栓在安裝后的服役過(guò)程中，塔架在風(fēng)力和風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的循環(huán)沖擊載荷作用下，在緊固螺栓螺紋根部全脫碳層最大深度處出現(xiàn)應(yīng)力裂紋并疲勞擴(kuò)展直至斷裂,這與失效螺栓橫截面全脫碳層最大深度處存在較多應(yīng)力裂紋相吻合[5-6]。

3 結(jié)論及建議

該失效緊固高強(qiáng)螺栓脫碳嚴(yán)重且脫碳層深度極不均勻，造成脫碳層最大深度處萌生應(yīng)力裂紋并疲勞擴(kuò)展直至螺栓斷裂失效。

建議廠家嚴(yán)格把控螺栓熱處理時(shí)間，加強(qiáng)對(duì)螺栓表面脫碳情況的檢驗(yàn)，并及時(shí)對(duì)原材料脫碳現(xiàn)象進(jìn)行檢查， 防止熱處理時(shí)一步加劇脫碳現(xiàn)象。

[1] 牛禧,張睿,許先果.40Cr高強(qiáng)螺栓斷裂原因分析[J].熱加工工藝,2012,41(20):217-218,222.

[2] GB/T 3077-1999 合金結(jié)構(gòu)鋼[S].

[3] GB/T 3098.1-2010 緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱[S].

[4] 李炯輝.金屬材料金相圖譜[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[5] 張君,溫寶峰,趙江濤,等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒緊固用高強(qiáng)螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2014,50(12):933-935.

[6] 吳繼權(quán),趙昆玉,沈創(chuàng)謙.40ACR高強(qiáng)螺栓斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(3):203-205,208.

DOI:10.11973/lhjy-wl201706015

Failure Analysis on Fracture of 35CrMo Steel High Strength Bolts

HAN Kejia, ZHAO Xiaohui, LI Hongwei

(Zibo New Material Institute, Zibo 255040, China)

The high strength bolts used for tower fastening in a wind power plant, appeared multiple fracture phenomena at the thread position after a month’s use. By means of macro examination, chemical composition analysis, mechanical property test, metallographic examination, fracture analysis and so on, the fracture reasons of the bolts were analyzed. The results show that the surface total decarburization layer depth of the failure high strength bolts at the thread position exceeded the standard requirement, and at the same time the decarburization layer depth was very uneven. Stress concentration easily formed at the deepest total decarburization position, and the decarburization also caused the decrease of strength and fatigue property of the bolts at local positions and made the bolts not bear the design load. So stress cracks appeared here and resulted in the final fatigue fracture failure of the high strength bolts.

high-strength bolt; decarburization; stress cracking; fatigue fracture

10.11973/lhjy-wl201706013

2016-06-23

韓克甲(1984-)，男，工程師，學(xué)士,主要從事金屬材料理化測(cè)試和失效分析工作，hkjhkj203@163.com

TH131.3

B

1001-4012(2017)06-0434-03