35CrMo鋼高強螺栓斷裂失效分析

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)

某風電廠鐵塔用緊固高強螺栓在使用一個月后于螺紋處出現多根斷裂現象。通過宏觀檢驗、化學成分分析、力學性能試驗、金相檢驗、斷口分析等方法對螺栓斷裂原因進行了分析。結果表明：失效高強螺栓螺紋處表面全脫碳層深度超標，且脫碳層深度極不均勻，在全脫碳層最大深度處容易產生應力集中，并造成螺栓表面部分區域的強度和抗疲勞性能下降，無法承受設計載荷，從而導致高強螺栓在此處出現應力裂紋并最終發生疲勞斷裂失效。

高強螺栓；脫碳；應力裂紋；疲勞斷裂

某風電廠采購一批鐵塔用緊固高強螺栓，螺栓規格為M24 mm×120 mm。該批螺栓在安裝使用一個月后出現多根螺栓斷裂現象，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，生產工序為：原材料→冷拔→冷鍛成型→加工螺紋→870 ℃油淬→清洗→470～485 ℃回火→表面鍍鋅處理等。筆者通過對失效螺栓進行宏觀檢驗、化學成分分析、力學性能試驗、金相分析等理化性能試驗，對其斷裂原因進行了分析,并提出了改進建議。

1 理化檢驗

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

1.1 宏觀檢驗

失效高強螺栓自螺紋根部斷裂，如圖1所示。斷口外緣可見明顯的點狀疲勞源，由疲勞源向內發展的疲勞擴展區可見逐次粗大的“年輪”狀條紋區，裂紋源對面是脆性斷裂的瞬斷區，可見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 化學成分分析

在失效高強螺栓斷口附近取樣進行化學成分分析，結果見表1。可見各元素含量均符合GB/T 3077-1999《合金結構鋼》[2]對35CrMo鋼成分的技術要求。

1.3 力學性能試驗

取同批次3根未使用高強螺栓分別直接進行抗拉強度試驗及緊固件保證應力試驗，結果見表2。可見實測抗拉強度比標準值偏低，保證載荷試驗結果符合GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[3]中的相關技術要求。

表1 斷裂螺栓的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the fractured bolt (mass fraction) %

表2 力學性能試驗結果Tab.2 Mechanics performance test results

1.4 硬度測試

依據GB/T 3098.1-2010對硬度的要求，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)的維氏硬度計在螺栓表面及心部各測試3點硬度，結果見表3。可見螺栓心部硬度符合技術要求，表面硬度明顯低于心部硬度，可判斷螺栓表面存在脫碳現象。用載荷為9.8 N(1 kgf)的維氏硬度計在螺栓表面進行硬度梯度測試，結果見圖3，可見全脫碳層深度大約為0.035 mm。

表3 斷裂螺栓硬度測試結果Tab.3 Hardness test results of the fractured bolt HV10

圖3 斷裂螺栓表面硬度梯度測試結果Fig.3 Surface hardness gradient test results of the fractured bolt

1.5 金相檢驗

在斷裂螺栓斷口疲勞源區域取金相試樣，制樣后在金相顯微鏡下觀察。基體顯微組織為中等粗細的回火索氏體，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)內觀察。在圖7中可以清晰地看到，螺紋根部貝殼狀條紋相對于疲勞擴展區更為密集光亮，可以斷定是最先形成的，屬于裂紋源。由圖8可見，斷面比較光滑并存在明顯貝紋線，為疲勞裂紋擴展區。由圖9可見典型的撕裂韌窩形貌且斷面更為粗糙，為瞬斷區。

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 裂紋擴展區SEM形貌Fig.8 SEM morphology of the crack propagation area

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

2 分析與討論

由以上理化檢驗結果可知，失效螺栓化學成分符合標準技術要求，但抗拉強度比標準值偏低，螺栓心部顯微組織為細小的回火索氏體，表層顯微組織發生全脫碳為鐵素體，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。螺栓硬度測試結果顯示的表面硬度與心部硬度相差較大，也說明了螺栓表面發生了嚴重的脫碳現象。全脫碳層的存在會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生應力集中。螺栓在安裝后的服役過程中，塔架在風力和風葉轉動產生的循環沖擊載荷作用下，在緊固螺栓螺紋根部全脫碳層最大深度處出現應力裂紋并疲勞擴展直至斷裂,這與失效螺栓橫截面全脫碳層最大深度處存在較多應力裂紋相吻合[5-6]。

3 結論及建議

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

建議廠家嚴格把控螺栓熱處理時間，加強對螺栓表面脫碳情況的檢驗，并及時對原材料脫碳現象進行檢查， 防止熱處理時一步加劇脫碳現象。

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

[2] GB/T 3077-1999 合金結構鋼[S].

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

[4] 李炯輝.金屬材料金相圖譜[M].北京:機械工業出版社,2006.

[5] 張君,溫寶峰,趙江濤,等.風力發電機塔筒緊固用高強螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(12):933-935.

[6] 吳繼權,趙昆玉,沈創謙.40ACR高強螺栓斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,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，學士,主要從事金屬材料理化測試和失效分析工作，hkjhkj203@163.com

TH131.3

B

1001-4012(2017)06-0434-03