礦機用斷裂雙頭螺栓失效原因分析

某礦機用雙頭螺栓，規(guī)格為φ20×150，等級為10.9級，材質(zhì)為35Cr鋼，表面發(fā)黑處理。安裝在礦機橋殼上固定主減速器，服役約2000h發(fā)生斷裂。

   螺栓在螺紋處斷裂，斷口斷面的邊沿位于螺紋的牙底和牙側(cè)，斷口見圖11-152、圖11-153。

圖11-152 斷裂件斷口宏觀照片          圖11-153  斷面低倍形貌  

對斷口進行檢查，圖11-153為送檢螺栓斷面低倍形貌，可見斷面邊緣位于螺紋處牙底和牙側(cè)面，表面無明顯腐蝕產(chǎn)物和冶金缺陷，斷面左右兩側(cè)較平整光滑，邊緣光亮，左右兩側(cè)的光滑斷面間由一粗糙的帶狀區(qū)域所分隔，該帶狀區(qū)域約占整個斷面面積的10%，現(xiàn)將整個斷面分為A1區(qū)、A2區(qū)、B1、B2區(qū)和C1、C2區(qū)進行進一步微觀觀察。圖11-154為斷面A1、A2區(qū)邊沿微觀形貌。

圖11-155、圖11-156為圖11-153斷面的A1、A2區(qū)微觀形貌，表面有磨損痕跡，邊沿有較多的裂紋源臺階，表面的磨損、擠壓痕跡處為裂紋源區(qū)。

圖11-154  斷面A1、A2區(qū)邊沿微觀形貌      

圖11-155 斷面A1區(qū)微觀形貌                圖11-156斷面A2區(qū)微觀形貌

圖11-157、圖11-158所示為斷面B1、B2區(qū)微觀形貌，可見明顯的疲勞條帶，疲勞條帶間距較小，為裂紋擴展區(qū)。

圖11-157  斷面B1區(qū)微觀形                   圖11-158 斷面B2區(qū)微觀形  

圖11-159、圖11-160所示為斷面C區(qū)微觀形貌，可見大量等軸韌窩，為最終斷裂區(qū)。

 圖11-159  斷面C區(qū)微觀形貌             圖11-160  斷面C區(qū)微觀形貌

金相檢查,圖11-161所示為斷裂螺栓心部金相組織，為回火索氏體組織。

圖11-161  斷裂螺栓心部金相組織

圖11-162、圖11-163所示為牙側(cè)有折疊缺陷，其法向深度為55μm，未超

過牙高的1/4，且未延伸至中徑以下。

圖11-162斷裂螺栓牙側(cè)折疊缺陷      圖11-163斷裂螺栓牙側(cè)折疊缺陷  

硬度檢測,斷裂螺栓的表面及心部硬度，試驗結(jié)果為386HV0.3、375 HV0.3、符合《GB/T 3098.1-2010》320-380HV0.3標準規(guī)定。

采用直讀光譜法對螺栓進行化學(xué)成分分析，結(jié)果符合《GB/T3077-1999》標準中對35CrMo鋼的要求。

斷裂螺栓金相組織、表面缺陷、表面及心部硬度及非金屬夾雜、化學(xué)成分等均符合技術(shù)要求；但該螺栓在螺紋處存在折疊缺陷。

折疊缺陷在螺栓安裝后只是受到靜載荷的拉應(yīng)力作用時，此類折疊缺陷對螺栓的使用影響不大；如果螺栓安裝后受到交變或震動載荷的作用，螺紋部位的折疊缺陷就可能成為裂紋源。

斷口面掃描電鏡微觀形貌顯示，斷面有2個擴展區(qū)，且都有明顯疲勞條帶，呈典型疲勞斷裂特征，疲勞條帶間距較窄。2個疲勞源均為多源臺階裂紋，都位于斷面邊緣的螺紋牙底和牙側(cè)面，并有明顯的擠壓磨損痕跡；終斷區(qū)面積較小；說明螺栓斷裂時所承受應(yīng)力較小，該螺栓斷裂呈彎曲交變載荷下的高周、低應(yīng)力疲勞斷裂特征。

車輛運行時，橋殼因內(nèi)部構(gòu)件工作及車輛震動而受到交變載荷作用，螺栓若在震動過程中發(fā)生松動便會使橋殼發(fā)生相對位移，從而導(dǎo)致螺栓受力狀態(tài)發(fā)生改變，發(fā)生松動后的螺栓受力較復(fù)雜，有震動交變應(yīng)力、拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、彎曲應(yīng)力。此時，在復(fù)雜交變載荷作用下，應(yīng)力集中的螺紋牙底或牙側(cè)的折疊缺陷處易成為疲勞裂紋源，疲勞裂紋在交變載荷作用下不斷擴展，最終螺栓疲勞斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）螺栓的斷裂性質(zhì)為高周低應(yīng)力疲勞斷裂。

（2）螺栓服役過程中發(fā)生松動是導(dǎo)致其疲勞斷裂的根本原因。

（3）螺栓在螺紋處存在折疊缺陷也是造成疲勞斷裂的原因之一。

（4）建議螺栓在螺紋滾壓加工時控制折疊缺陷的產(chǎn)生。

（5）建議螺栓安裝時嚴格控制預(yù)緊力并采用防松措施，定期檢查螺栓預(yù)緊情況。