六角頭螺栓斷裂失效分析
塔吊底座固定六角頭螺栓，規(guī)格為M30×340，性能等級為10.9級、材料為40Cr，表面鍍黃鋅；在安裝2個月后發(fā)生斷裂。
試驗過程與結(jié)果
螺栓斷裂位置為與桿部結(jié)合的第一扣螺紋處，斷裂件宏觀形貌見圖13-80。
圖13-80 六角頭螺栓斷裂件形貌
斷裂件斷口附近的螺紋部分有明顯的塑性變形，見圖13-81。
斷口凹凸不平，部分區(qū)域有銹蝕，斷口宏觀形貌見圖13-82。
圖13-81 斷裂螺栓螺紋部分宏觀形貌 圖13-82 斷口宏觀形貌
在掃描電鏡下觀察斷口，整個斷口主要形貌為拉伸韌窩，未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷和夾雜物，微觀形貌如圖13-83所示。
圖13-83斷口微觀形貌
螺栓橫截面進行硬度檢測,硬度檢測結(jié)果：螺栓近表面硬度為 310～335HV10；心部硬度為 290～295HV10。
取斷裂螺栓的剩余部分加工成拉伸試樣進行拉伸試驗，拉伸試驗結(jié)果見表13-1
項目
抗拉強度/MPa
規(guī)定非比例延伸強度RP0.2
/MPa
斷后伸長率
/%
斷面收縮率
/%
試驗結(jié)果
950
780
15.0
52.0
標(biāo)準(zhǔn)值
≥1040
≥940
≥12.0
≥52.0
用直讀光譜對斷裂螺栓進行化學(xué)分析，化學(xué)成分分析結(jié)果表明螺栓材料化學(xué)成分符合40Cr的要求，
沿斷口縱向截取金相試樣，制樣后顯微鏡觀察，螺栓的表面組織為回火索氏體組織，表面組織如圖13-84所示。
螺栓的心部組織為索氏體＋鐵素體，如圖13-85所示。
圖13-84 近表層金相組織
圖13-85心部金相組織
分析與討論
螺栓的化學(xué)成分符合要求，通過對斷裂螺栓宏觀和微觀形貌的分析可知，斷口附近螺紋有明顯的頸縮現(xiàn)象，微觀形貌為拉伸韌窩，表明螺栓的斷裂是在拉應(yīng)力作用下的過載斷裂。
螺栓的表面部分組織正常，心部組織存在鐵素體組織，組鐵素體織的存在會引起螺栓機械性能的降低。從螺栓的硬度試驗和拉伸試驗的檢測結(jié)果，也反映出螺栓的心部硬度低，拉伸強度值低不合格，主要原因是螺栓的心部組織有較多的鐵素體組織。
螺栓心部組織有較多的鐵素體的原因是螺栓熱處理工藝不當(dāng)造成。螺栓淬火加熱保溫時間不夠、螺栓淬火冷卻速度過慢等原因都會造成螺栓心部有較多的鐵素體組織。
螺栓的斷裂主要原因是螺栓的拉伸強度低，不能滿足安裝應(yīng)力的要求，安裝后在實際安裝應(yīng)力的作用下，螺栓發(fā)生逐步變形伸長過載斷裂。
總結(jié)與啟示
（1）引起螺栓斷裂的根本原因是螺栓的拉伸強度低。由于螺栓的拉伸強度低，不能承受正常的安裝應(yīng)力，在安裝應(yīng)力作用下逐步塑性變形，最后過載斷裂。
（2）螺栓的拉伸強度低的原因是螺栓心部有較多的鐵素體組織。
（3）螺栓心部有較多鐵素體組織的原因是螺栓熱處理工藝不當(dāng)造成。
（4）加強螺栓熱處理生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝紀(jì)律檢查，嚴(yán)格執(zhí)行工藝才能保證產(chǎn)品質(zhì)量。
（5）加強螺栓的產(chǎn)品質(zhì)量檢查，對螺栓硬度低的要及時進行返修。
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