黃建穎，金滿潔，李 霞

（中杭監(jiān)測(cè)技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

寧鋼熱軋廠軋機(jī)十字包螺栓使用日本進(jìn)口非標(biāo)螺栓，規(guī)格為M85，材質(zhì)、熱處理工藝未知，該半剖式結(jié)構(gòu)的十字包為第一次使用，無(wú)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(jìn)口非標(biāo)螺栓，規(guī)格為M85，材質(zhì)、熱處理工藝未知。裝機(jī)要求服役期限為18個(gè)月，實(shí)際工作14個(gè)月發(fā)生斷裂，設(shè)備使用過(guò)程中點(diǎn)檢正常，但未檢查過(guò)有無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象，初始安裝扭矩為25700N·m，運(yùn)行過(guò)程無(wú)定期預(yù)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(yán)重，但能看到明顯的裂紋起始區(qū)，擴(kuò)展區(qū)和最后的瞬斷區(qū)（見圖1），由生產(chǎn)部門提供的螺栓頭部斷口照片觀察，裂紋擴(kuò)展區(qū)能觀察到明顯的貝紋線，由螺桿表面逐步向內(nèi)推進(jìn)，初步判斷為低應(yīng)力下的高周疲勞斷口（見圖2）。同時(shí)在裂紋起始區(qū)相對(duì)的一側(cè)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(cè)樣，組織及非金屬夾雜試樣，取樣部位見圖3。

圖3 檢測(cè)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(xué)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(nèi)擴(kuò)展，斷口表面有氧化，未發(fā)現(xiàn)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(nèi)延伸的裂紋擴(kuò)展臺(tái)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(diǎn)狀腐蝕痕跡。

2.4 理化分析

2.4.1 化學(xué)成分分析

運(yùn)用直讀光譜儀對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2。

因該螺栓為日本進(jìn)口，材質(zhì)未知，對(duì)比上表成份組成，與我國(guó)的40CrNiMo相接近。

2.4.2 金相檢驗(yàn)

（1）組織檢測(cè)。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(fā)現(xiàn)裂紋，有一深度約為12um的小腐蝕坑，表面未觀察到脫碳現(xiàn)象（見圖4b）。

（2）非金屬夾雜物含量測(cè)定。取縱向金相樣。經(jīng)磨制拋光后，置于zeiss observer.A1m型金相顯微鏡下觀察。依據(jù)GB/T10561-2005標(biāo)準(zhǔn)中的A法對(duì)夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)結(jié)果見下表。

表3 夾雜物的評(píng)級(jí)

2.5 力學(xué)性能及硬度檢測(cè)

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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行材料力學(xué)性能檢測(cè)和硬度檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果見下表。

表4 螺栓的力學(xué)性能及硬度

力學(xué)性能符合我國(guó)40CrNiMo材質(zhì)的力學(xué)性能；客戶提供的螺栓硬度技術(shù)要求為：36HRC～41HRC，硬度值也符合該技術(shù)要求。

3 結(jié)論

因該螺栓為日本進(jìn)口非標(biāo)螺栓，材質(zhì)未知，化學(xué)分析結(jié)果顯示與我國(guó)的40CrNiMo相近似，因此螺栓成分難于判斷其是否合格。由于材質(zhì)未知，其材質(zhì)力學(xué)性能要求也未知，經(jīng)和我國(guó)40CrNiMo材質(zhì)的力學(xué)性能相比較，符合我國(guó)40CrNiMo材質(zhì)的力學(xué)性能要求。

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

相對(duì)于疲勞源一側(cè)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(fā)生疲勞失效時(shí)，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(wú)異常；非金屬夾雜物含量低，無(wú)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(diǎn)腐蝕現(xiàn)象，電鏡觀察也表明，疲勞源處有較多的斑點(diǎn)狀腐蝕坑，當(dāng)螺栓受到交變應(yīng)力時(shí)，在腐蝕坑處形成疲勞源，之后在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂。