35CrMo鋼螺栓斷裂原因分析

趙 強(qiáng) 曹佳麗 丁景煥 徐亞楠 李 博

(1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南南陽(yáng) 473000)

35CrMo鋼螺栓斷裂原因分析

趙 強(qiáng)1曹佳麗1丁景煥1徐亞楠1李 博2

(1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南南陽(yáng) 473000)

35CrMo鋼螺栓在使用中發(fā)生斷裂。為了揭示螺栓斷裂的原因，對(duì)斷裂的螺栓進(jìn)行了化學(xué)成分分析、顯微組織檢驗(yàn)和力學(xué)性能測(cè)定。結(jié)果表明，螺栓的化學(xué)成分、顯微組織、氫含量以及夾雜物含量均符合要求，拉伸性能偏低。由斷裂螺栓的斷口分析發(fā)現(xiàn)，大部分螺栓都存在疲勞裂紋，疲勞裂紋均起源于螺紋根部，裂紋端部應(yīng)力集中是螺栓發(fā)生斷裂的原因，與偏低的拉伸性能無(wú)關(guān)。此外，螺紋根部的機(jī)加工缺陷也是裂紋源，在周期應(yīng)力的作用下導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂。

35CrMo鋼螺栓 斷裂 疲勞 應(yīng)力集中

統(tǒng)計(jì)分析表明，在靜載荷下，除非嚴(yán)重過載，螺栓連接是很少發(fā)生破斷的。就破壞的性質(zhì)而言，約有90%的螺栓屬于疲勞破壞，而且疲勞斷裂常發(fā)生在螺紋根部，即截面積較小并有缺口易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位(約占85%)，有時(shí)也發(fā)生在螺栓頭與桿的交接處(約占15%)[1]。

某抽水蓄能電站的頂蓋和座環(huán)采用圓周方向均布的50個(gè)35CrMo鋼雙頭螺栓剛性連接，螺栓承受水輪機(jī)運(yùn)行、水泵運(yùn)行、水泵零流量、水輪機(jī)緊急關(guān)機(jī)(轉(zhuǎn)輪飛逸)等4種交變載荷。螺栓鍛造后進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理，要求屈服強(qiáng)度≥735 MPa，抗拉強(qiáng)度≥882 MPa。螺栓精機(jī)加工后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。螺栓的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在某次機(jī)組水輪機(jī)緊急關(guān)機(jī)(轉(zhuǎn)輪飛逸)時(shí)，螺栓因故斷裂，頂蓋抬起。螺栓斷裂高度基本一致，50件螺栓中僅1件未斷，發(fā)生脫扣，2件發(fā)生輕微縮頸，4件發(fā)生較為明顯的縮頸，其余43件斷口比較平整。

1 理化分析

取2件斷裂螺栓，編號(hào)為1號(hào)和2號(hào)，如圖2所示。另取1件已經(jīng)使用1年的完整螺栓以及1件未經(jīng)使用的備品螺栓，分別編號(hào)為3號(hào)和4號(hào)。分析和檢測(cè)4件螺栓的成分、力學(xué)性能、組織、氫含量和斷口，并對(duì)3號(hào)和4號(hào)螺栓進(jìn)行磁粉探傷，以確認(rèn)是否存在機(jī)加工缺陷。

圖1 螺栓的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Detail drawing of the bolt

圖2 斷裂螺栓外觀Fig.2 Appearance of the fractured bolts

1.1 磁粉探傷

參照NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》，對(duì)圖3中箭頭所指部位進(jìn)行磁粉探傷，檢測(cè)設(shè)備為CYE- 2A，磁化方法為電磁軛磁化和穿棒法，磁粉為黑磁膏配置磁懸液。磁粉探傷表明，3號(hào)和4號(hào)螺栓指定區(qū)域表面無(wú)缺陷磁痕。

圖3 完整螺栓的外觀及檢測(cè)部位Fig.3 Appearances of the undamaged bolts and its examined places

根據(jù)GB/T 4336—2002分析螺栓的化學(xué)成分，結(jié)果見表1。表中還列出了GB/T 3077—2015中35CrMo鋼的化學(xué)成分，可見螺栓的化學(xué)成分符合要求。

1.2 力學(xué)性能

沿螺栓縱向切取棒狀拉伸試樣，根據(jù)GB/T 228.1—2010進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，并取10 mm×10 mm×55 mm的試樣，按GB/T 229—2007進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表2。表中同時(shí)列出了GB/T 3077—2015中35CrMo鋼的力學(xué)性能指標(biāo)?？梢?，螺栓的抗拉強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)值接近，屈服強(qiáng)度大多低于標(biāo)準(zhǔn)值，沖擊性能符合要求。

表1 螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the bolts (mass fraction) %

表2 螺栓的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the bolts

1.3 氫含量

從螺栓上切取棒狀試樣，并根據(jù)GB/T 223.82—2007分析材料中的氫含量，結(jié)果列于表3?？梢?，螺栓的氫含量較低，均≤0.5×10- 6，因此可以排除氫脆引起的斷裂[2]。

表3 螺栓的氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Hydrogen content in the bolts (mass fraction) %

1.4 顯微組織

按照GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》評(píng)定螺栓的平均晶粒度，按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定方法》評(píng)定螺栓的夾雜物，結(jié)果見表4?？梢?，螺栓的晶粒較細(xì)小，非金屬夾雜物含量也符合要求。

表4 螺栓的非金屬夾雜物含量和晶粒度Table 4 Non- metallic inclusion contents and grain size of the bolts

在1號(hào)和2號(hào)螺紋根部取垂直于斷口的試樣，在3號(hào)和4號(hào)螺紋段取橫向試樣(位置如圖3所示)，其顯微組織如圖4所示，均為回火索氏體、貝氏體和少量鐵素體。35CrMo鋼是亞共析鋼，調(diào)質(zhì)處理可以獲得良好的綜合性能[3]。4件螺栓的顯微組織均符合要求。

圖4 螺栓的顯微組織Fig.4 Microstructure of the bolt

1.5 斷口分析

螺栓斷口的宏觀形貌如圖5所示，螺栓的斷口均與軸向垂直。斷口為典型的疲勞斷口形貌[4- 5]，分為兩部分：平坦的邊緣開裂區(qū)和表面高度起伏較大的后斷區(qū)，二者色差較大，可見清晰的分界線。前者呈黑色，表面比較細(xì)密平滑；后者呈紅褐色，面積很大，約占總斷口面積的 90%以上。斷口花樣呈放射狀，為快速擴(kuò)展的后斷區(qū)?？梢酝茢?，裂紋由表面向內(nèi)擴(kuò)展較短的距離后停滯了較長(zhǎng)時(shí)間，而后突然在較大的應(yīng)力作用下快速斷裂。裂紋擴(kuò)展方向如圖5中箭頭所示。

圖5 螺栓斷口的宏觀形貌Fig.5 Macrographs of the bolt fracture

從裂紋源區(qū)切取斷口試樣，經(jīng)表面除油、超聲波清洗和吹干后，在掃描電鏡上觀察斷口的微觀形貌，疲勞源區(qū)寬度約為3 mm，如圖6所示。

圖6 螺栓斷口的疲勞裂紋形貌Fig.6 Fatigue cracks on the fracture of bolt

疲勞源位于螺紋根部，與35CrMo鋼的微動(dòng)疲勞相同[6]，疲勞為多源起裂，隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋源的裂紋合并；近疲勞源區(qū)的疲勞弧線較細(xì)密(裂紋擴(kuò)展較慢)，遠(yuǎn)疲勞源區(qū)疲勞弧線較稀疏(裂紋擴(kuò)展較快)，如圖7所示。

圖7 螺栓斷口(a)近疲勞源區(qū)和(b)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞弧線Fig.7 Fatigue curves in (a) area near fatigue source and (b) fatigue crack propagation area on the fracture of bolt

后斷的失穩(wěn)擴(kuò)展斷口以解理和準(zhǔn)解理斷裂為主，如圖8所示。相鄰解理面之間為撕裂棱，局部區(qū)域可見細(xì)小韌窩。疲勞擴(kuò)展和后斷區(qū)的斷口上均未見異常的非金屬夾雜物等冶金缺陷?？梢?，疲勞裂紋的生成擴(kuò)展與材料缺陷無(wú)關(guān)。

對(duì)斷裂后的35支螺栓進(jìn)行斷口觀察，發(fā)現(xiàn)其中21支存在疲勞裂紋，發(fā)生疲勞的螺栓數(shù)量占送檢螺栓數(shù)量的3/5，疲勞裂紋均起源于螺紋根部，其寬度如圖9所示?？梢娖诹鸭y形成的尖端應(yīng)力集中是螺栓發(fā)生斷裂的原因。

圖8 螺栓解理和準(zhǔn)解理斷口形貌及韌窩形貌Fig.8 Morphologies of cleavage fracture, quasi- cleavage fracture and dimples for the bolt

圖9 螺栓中疲勞裂紋的寬度Fig.9 Widths of fatigue crack in the bolts

螺栓為多缺口零件，缺口敏感性強(qiáng)，缺口部位的缺陷會(huì)大大降低疲勞強(qiáng)度[7]。疲勞源區(qū)所在的螺紋根部表面存在環(huán)向機(jī)加工刀痕和不規(guī)則的舌狀缺陷，如圖10所示。螺紋根部的加工缺陷也容易成為裂紋源，在周期應(yīng)力作用下易使螺紋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致螺栓斷裂。

2 結(jié)論

(1)斷裂35CrMo鋼螺栓的化學(xué)成分、氫含量、顯微組織、夾雜物含量等均符合要求。盡管個(gè)別螺栓力學(xué)性能指標(biāo)偏低，但不是螺栓斷裂的原因。

(2)大部分螺栓在斷裂前已經(jīng)存在深度不同的疲勞裂紋，疲勞裂紋的生成和擴(kuò)展與材料缺陷無(wú)關(guān)。疲勞裂紋均起源于螺紋根部，疲勞裂紋形成的尖端應(yīng)力集中是螺栓斷裂的原因。

圖10 螺栓疲勞源區(qū)的機(jī)加工缺陷及舌狀花樣Fig.10 Machining defects and tongue- shaped pattern in fatigue source area of the bolt

(3)螺紋根部的機(jī)加工缺陷也容易成為裂紋源，在周期應(yīng)力作用下易使螺紋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致螺栓斷裂。

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收修改稿日期：2017- 06- 07

AnalysisonFractureof35CrMoSteelBolts

Zhao Qiang1Cao Jiali1Ding Jinghuan1Xu Yanan1Li Bo2

(1. Technology Center of State Grid Xinyuan Co.,Ltd., Beijing 100161, China; 2. Huilong Branch Company, State Grid Xinyuan Company, Nanyang Henan 47300, China)

35CrMo steel bolts fractured in service. The fractured bolts were subjected to chemical composition analysis, microstructural survey, and mechanical property measurements to reveal the reason why the bolts fractured. The results indicated that the chemical composition, microstructure, hydrogen and inclusion contents of the bolts came up to the mark, and that their tensile properties were on the low side. From fracture analysis of the failed bolts it was seen that fatigue cracks that originated from the thread root were present in most of the fractured bolts, which brought about the bolt failure because of stress concentration in crack end, regardless of the lower tensile properties. In addition, machining defect in the thread root also was a crack source that resulted in fatigue failure of the bolts by the action of a cyclic stress.

35CrMo steel bolt, fracture, fatigue, stress concentration

趙強(qiáng)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事耐熱鋼性能及水電用鋼性能及焊接研究，Email：40420399@qq.com