襄陽市吊塔螺栓斷裂失效分析六角頭螺栓

時間：2021-11-04

作者：武漢廣分認證有限公司

六角頭螺栓，規(guī)格為M27×280，性能等級為10.9級，表面鍍彩鋅。該螺栓安裝在塔吊底部與基礎連接處，安裝約3、4個月后發(fā)生斷裂。

螺栓斷裂部位為頭桿部結合的過渡區(qū)，斷口無明顯宏觀塑性變形，兩斷口可良好配合。

六角頭螺栓斷裂件斷裂形貌，見圖11-46。

螺栓頭部斷口，整個斷面可見明顯的疲勞斷裂特征，斷面平滑，有明顯的脆性疲勞擴展特征，圖中箭頭處為疲勞源區(qū)，見圖11-47。

疲勞擴展區(qū)有明顯的疲勞條帶，疲勞擴展區(qū)占整個斷口面積的80%以上，圖11-48白色箭頭所指深色區(qū)域為終斷裂區(qū)，占整個斷口面積小于10%。

圖11-46 斷裂螺栓

圖11-47 桿部斷口宏觀形貌圖11-48 頭部斷口宏觀形貌

桿部斷口的四周有碰撞變形痕跡，斷裂源外表面有明顯磨損痕跡，桿部斷裂處斷裂源側面的磨損痕跡，見圖11-49。

圖11-50為斷裂源區(qū)域形貌，可見許多細小臺階；疲勞條帶方向為疲勞擴展區(qū)。根據斷口各區(qū)域的面積比，可確定螺栓斷口為低應力高周疲勞斷口。

圖11-49 桿部斷口斷裂源側面磨損痕跡圖11-50 疲勞源區(qū)域宏觀形貌

在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，疲勞源區(qū)域存在磨損凹坑、疤痕和微裂紋未發(fā)現夾雜和冶金缺陷（圖11-51、圖11-52）；疲勞擴展區(qū)二次裂紋和撕裂棱比較明顯，疲勞條帶少、短、間距小，屬高周疲勞特征（圖11-53、圖11-54）；圖11-55為后斷裂的韌窩特征，該區(qū)域僅出現在斷口邊緣很小部分,說明后斷裂時應力較小。

圖11-51 疲勞源形貌圖11-52 表面磨損疤痕和微裂紋

圖11-53 擴展區(qū)疲勞條帶圖11-54疲勞條帶放大像

圖11-55 后斷裂的韌窩特征

硬度,在斷口附近對螺栓表面、心部硬度，結果，表面硬度347、352、345 HV0.3；心部硬度324、320、328 HV10，螺栓的硬度值均符合技術要求，

沿斷口縱向截取試塊，制成金相試樣，顯示顯微組織為均勻回火索氏體組織，見圖11-56。

圖11-56 螺栓顯微組織

用直讀光譜法對螺栓化學成分進行分析，化學成分符合《GB/T 》40Cr鋼的要求。

結果，螺栓的表面、心部硬度、金相組織和化學成分均符合要求。

從螺栓斷口宏觀和微觀分析可知，螺栓斷口為低應力疲勞斷口，斷裂源位于斷口邊緣部位，該處有明顯的磨損痕跡，分析認為斷裂螺栓頭桿結合處由于服役時長期受到磨損使得表面產生不均勻的磨損擦傷,產生凹坑、微裂紋等缺陷，磨損缺陷處產生應力集中，萌發(fā)微裂紋，在交變載荷的作用下，裂紋的不斷擴展，終導致了螺栓的斷裂。

由于吊車底部和與基礎件都由多個螺栓連接固定，而發(fā)生斷裂螺栓總共只有幾只，推測斷裂螺栓可能由于安裝時擰緊力矩不足或安裝時螺栓與孔的配合不好導致運轉時產生嚴重的磨損，螺栓頭桿部結合的過渡區(qū)產生磨損缺陷，缺陷處為斷裂源，在低應力作用下疲勞裂紋不斷擴展，后疲勞斷裂，

根據以上分析，可以得出如下結論與啟示：

（1）螺栓的斷裂是疲勞斷裂。

（2）引起螺栓斷裂的根本原因是螺栓頭桿部結合的過渡區(qū)產生磨損缺陷，缺陷處為斷裂源，在低應力作用下疲勞裂紋擴展后疲勞斷裂。

（3）螺栓安裝時一定要執(zhí)行安裝技術要求，保證擰緊力矩在技術要求范圍內。

（4）螺栓安裝時注意或安裝時螺栓與孔的配合，防止因螺栓與孔的配合不好導致運轉時產生磨損。

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