35CrMo鋼螺栓斷裂原因分析

趙 強 曹佳麗 丁景煥 徐亞楠 李 博

(1.國網新源控股有限公司技術中心，北京 100161；2.國網新源控股有限公司回龍分公司，河南南陽 473000)

35CrMo鋼螺栓斷裂原因分析

趙 強1曹佳麗1丁景煥1徐亞楠1李 博2

(1.國網新源控股有限公司技術中心，北京 100161；2.國網新源控股有限公司回龍分公司，河南南陽 473000)

35CrMo鋼螺栓在使用中發生斷裂。為了揭示螺栓斷裂的原因，對斷裂的螺栓進行了化學成分分析、顯微組織檢驗和力學性能測定。結果表明，螺栓的化學成分、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現，大部分螺栓都存在疲勞裂紋，疲勞裂紋均起源于螺紋根部，裂紋端部應力集中是螺栓發生斷裂的原因，與偏低的拉伸性能無關。此外，螺紋根部的機加工缺陷也是裂紋源，在周期應力的作用下導致螺栓疲勞斷裂。

35CrMo鋼螺栓 斷裂 疲勞 應力集中

統計分析表明，在靜載荷下，除非嚴重過載，螺栓連接是很少發生破斷的。就破壞的性質而言，約有90%的螺栓屬于疲勞破壞，而且疲勞斷裂常發生在螺紋根部，即截面積較小并有缺口易產生應力集中的部位(約占85%)，有時也發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采用圓周方向均布的50個35CrMo鋼雙頭螺栓剛性連接，螺栓承受水輪機運行、水泵運行、水泵零流量、水輪機緊急關機(轉輪飛逸)等4種交變載荷。螺栓鍛造后進行了調質處理，要求屈服強度≥735 MPa，抗拉強度≥882 MPa。螺栓精機加工后進行無損檢測。螺栓的結構如圖1所示。

在某次機組水輪機緊急關機(轉輪飛逸)時，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，發生脫扣，2件發生輕微縮頸，4件發生較為明顯的縮頸，其余43件斷口比較平整。

1 理化分析

取2件斷裂螺栓，編號為1號和2號，如圖2所示。另取1件已經使用1年的完整螺栓以及1件未經使用的備品螺栓，分別編號為3號和4號。分析和檢測4件螺栓的成分、力學性能、組織、氫含量和斷口，并對3號和4號螺栓進行磁粉探傷，以確認是否存在機加工缺陷。

圖1 螺栓的結構圖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《承壓設備無損檢測》，對圖3中箭頭所指部位進行磁粉探傷，檢測設備為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號和4號螺栓指定區域表面無缺陷磁痕。

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

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

1.2 力學性能

沿螺栓縱向切取棒狀拉伸試樣，根據GB/T 228.1—2010進行室溫拉伸試驗，并取10 mm×10 mm×55 mm的試樣，按GB/T 229—2007進行沖擊試驗，結果見表2。表中同時列出了GB/T 3077—2015中35CrMo鋼的力學性能指標。可見，螺栓的抗拉強度與標準值接近，屈服強度大多低于標準值，沖擊性能符合要求。

表1 螺栓的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the bolts (mass fraction) %

表2 螺栓的力學性能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GB/T 223.82—2007分析材料中的氫含量，結果列于表3。可見，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(質量分數)Table 3 Hydrogen content in the bolts (mass fraction) %

1.4 顯微組織

按照GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》評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定方法》評定螺栓的夾雜物，結果見表4。可見，螺栓的晶粒較細小，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號和2號螺紋根部取垂直于斷口的試樣，在3號和4號螺紋段取橫向試樣(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，調質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：平坦的邊緣開裂區和表面高度起伏較大的后斷區，二者色差較大，可見清晰的分界線。前者呈黑色，表面比較細密平滑；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，為快速擴展的后斷區。可以推斷，裂紋由表面向內擴展較短的距離后停滯了較長時間，而后突然在較大的應力作用下快速斷裂。裂紋擴展方向如圖5中箭頭所示。

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

從裂紋源區切取斷口試樣，經表面除油、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鋼的微動疲勞相同[6]，疲勞為多源起裂，隨著裂紋的擴展，裂紋源的裂紋合并；近疲勞源區的疲勞弧線較細密(裂紋擴展較慢)，遠疲勞源區疲勞弧線較稀疏(裂紋擴展較快)，如圖7所示。

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

后斷的失穩擴展斷口以解理和準解理斷裂為主，如圖8所示。相鄰解理面之間為撕裂棱，局部區域可見細小韌窩。疲勞擴展和后斷區的斷口上均未見異常的非金屬夾雜物等冶金缺陷。可見，疲勞裂紋的生成擴展與材料缺陷無關。

對斷裂后的35支螺栓進行斷口觀察，發現其中21支存在疲勞裂紋，發生疲勞的螺栓數量占送檢螺栓數量的3/5，疲勞裂紋均起源于螺紋根部，其寬度如圖9所示。可見疲勞裂紋形成的尖端應力集中是螺栓發生斷裂的原因。

圖8 螺栓解理和準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，缺口部位的缺陷會大大降低疲勞強度[7]。疲勞源區所在的螺紋根部表面存在環向機加工刀痕和不規則的舌狀缺陷，如圖10所示。螺紋根部的加工缺陷也容易成為裂紋源，在周期應力作用下易使螺紋根部產生應力集中，導致螺栓斷裂。

2 結論

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

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

圖10 螺栓疲勞源區的機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)螺紋根部的機加工缺陷也容易成為裂紋源，在周期應力作用下易使螺紋根部產生應力集中而導致螺栓斷裂。

[1] 濮良貴，陳國定，吳立言. 機械設計[M]. 北京:高等教育出版社，2013.

[2] 唐文忠. 35CrMo 鋼螺栓斷裂原因分析[J]. 金屬制品, 2015,41(4): 62- 64.

[3] 朱紅波，孫立強，王迪.調質處理對35CrMo鋼組織和性能的影響[J].機械工程自動化, 2016,195(4):136- 137.

[4] 廖景娛. 金屬構件失效分析[M]. 北京:化學工業出版社，2003．

[5] 鐘群鵬，趙子華．斷口學[M]．北京:高等教育出版社，2006．

[6] 楊洋，何國球，盧棋，等.圓形路徑載荷下35CrMoA鋼的微動疲勞失效特性[J]. 上海金屬，2015, 37(2)：1- 6.

[7] 溫愛玲，路文娟，王生武. 35CrMo螺栓斷裂分析[J]. 理化檢驗- 物理分冊,2014,50(9)：674- 676.

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，男，碩士，高級工程師，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