進口軋機十字包螺栓研究與分析

黃建穎，金滿潔，李 霞

（中杭監測技術研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

寧鋼熱軋廠軋機十字包螺栓使用日本進口非標螺栓，規格為M85，材質、熱處理工藝未知，該半剖式結構的十字包為第一次使用，無歷史斷裂記錄，該十字包共4根螺栓，斷裂了3根。

1 研究背景

該螺栓為日本進口非標螺栓，規格為M85，材質、熱處理工藝未知。裝機要求服役期限為18個月，實際工作14個月發生斷裂，設備使用過程中點檢正常，但未檢查過有無松動現象，初始安裝扭矩為25700N·m，運行過程無定期預緊的要求。

2 原因分析

2.1 宏觀觀察

斷裂位于螺栓桿部與頭部的交接處，螺栓頭部斷口已被截取，難于觀察；觀察螺栓桿部斷口，斷口較平整，銹蝕嚴重，但能看到明顯的裂紋起始區，擴展區和最后的瞬斷區（見圖1），由生產部門提供的螺栓頭部斷口照片觀察，裂紋擴展區能觀察到明顯的貝紋線，由螺桿表面逐步向內推進，初步判斷為低應力下的高周疲勞斷口（見圖2）。同時在裂紋起始區相對的一側螺桿表面有明顯的磨損痕跡。

圖1 螺桿部斷口宏觀形貌

圖2 螺栓頭部斷口形貌

2.2 取樣

在斷裂螺栓螺桿處分別取斷口樣、拉伸試樣、成分分析樣、硬度檢測樣，組織及非金屬夾雜試樣，取樣部位見圖3。

圖3 檢測試樣取樣部位

2.3 掃描電鏡觀察

表1 掃描電鏡下各種金屬元素的重量、原子的百分比

表2 斷裂螺栓化學成分

圖4 金相組織和表面小腐蝕坑（浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液）

將螺栓斷口清洗后置于掃描電鏡下觀察，斷裂起始于螺栓邊緣，呈放射狀向內擴展，斷口表面有氧化，未發現非金屬夾雜物、表面裂紋等異常；疲勞源處有由螺栓表面向內延伸的裂紋擴展臺階。疲勞源處能譜分析，主要為Fe、Cr、Mn、Si的氧化物及少量的硫化物。疲勞源處的螺栓表面有磨損痕跡和斑點狀腐蝕痕跡。

2.4 理化分析

2.4.1 化學成分分析

運用直讀光譜儀對斷裂螺栓進行化學成分分析，結果如表2。

因該螺栓為日本進口，材質未知，對比上表成份組成，與我國的40CrNiMo相接近。

2.4.2 金相檢驗

（1）組織檢測。在疲勞源處磨制金相試樣，腐蝕后觀察，組織為回火索氏體（見圖4a），疲勞源處表面未發現裂紋，有一深度約為12um的小腐蝕坑，表面未觀察到脫碳現象（見圖4b）。

（2）非金屬夾雜物含量測定。取縱向金相樣。經磨制拋光后，置于zeiss observer.A1m型金相顯微鏡下觀察。依據GB/T10561-2005標準中的A法對夾雜物進行評級結果見下表。

表3 夾雜物的評級

2.5 力學性能及硬度檢測

螺桿處分別取拉伸樣和硬度試樣，依照GB/T228.1-2010和GB/T230.1-2009標準進行材料力學性能檢測和硬度檢測。檢測結果見下表。

表4 螺栓的力學性能及硬度

力學性能符合我國40CrNiMo材質的力學性能；客戶提供的螺栓硬度技術要求為：36HRC～41HRC，硬度值也符合該技術要求。

3 結論

因該螺栓為日本進口非標螺栓，材質未知，化學分析結果顯示與我國的40CrNiMo相近似，因此螺栓成分難于判斷其是否合格。由于材質未知，其材質力學性能要求也未知，經和我國40CrNiMo材質的力學性能相比較，符合我國40CrNiMo材質的力學性能要求。

螺栓斷裂于螺桿與螺栓頭部的轉角處，斷裂起始點位于螺栓表面，斷口有明顯的貝紋線，斷裂起始點表面有擠壓、磨損痕跡，判斷為單源低應力高周疲勞斷裂。

相對于疲勞源一側的螺栓表面有明顯磨損痕跡，表明螺栓表面可能受到了徑向的沖擊力，這可能是螺栓發生疲勞失效時，螺紋孔壁沖擊螺栓表面造成的。顯微組織為正常的高溫回火組織，組織均勻，無異常；非金屬夾雜物含量低，無大顆粒、大尺寸非金屬夾雜物，但疲勞源處表面有深度很淺的小腐蝕坑，這表明螺栓表面存在點腐蝕現象，電鏡觀察也表明，疲勞源處有較多的斑點狀腐蝕坑，當螺栓受到交變應力時，在腐蝕坑處形成疲勞源，之后在交變應力和腐蝕介質共同作用下，導致螺栓發生斷裂。