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高強(qiáng)螺栓是許多機(jī)械產(chǎn)品中必不可少的基礎(chǔ)性零件，廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域的各種機(jī)械產(chǎn)品與裝備，并承擔(dān)著極其重要的緊固聯(lián)接作用，因此螺栓的失效往往會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果。

本文中斷裂的螺栓為發(fā)電機(jī)慣性飛輪聯(lián)接螺栓，總共6根螺栓，其中3根在進(jìn)行規(guī)定力矩緊固過(guò)程中出現(xiàn)斷裂，該螺栓的斷裂將造成慣性飛輪與發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)接失效，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不可用。筆者通過(guò)對(duì)失效螺栓進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分分析、金相分析、力學(xué)性能等試驗(yàn)，對(duì)其斷裂進(jìn)行原因分析，并提出了改進(jìn)建議。下面就和小編一起看看核電廠柴油發(fā)電機(jī)用緊固螺栓斷裂失效分析。

1、試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

（1）宏觀檢驗(yàn)

螺栓編號(hào)為1、2、3、4、5，其中1號(hào)和2號(hào)螺栓未斷裂，3號(hào)、5號(hào)螺栓斷裂發(fā)生在車削螺紋的退刀槽處，螺紋根部與螺柱相接倒角處，4號(hào)螺栓斷裂位置位于第3~4螺紋牙底處。斷裂螺栓的斷口宏觀形貌如圖1所示。

斷口表面光潔，無(wú)明顯的腐蝕產(chǎn)物;斷口不齊整，其所在平面中心區(qū)域凹凸不平，整個(gè)斷口表面呈現(xiàn)脆性扭轉(zhuǎn)斷裂特征。經(jīng)測(cè)量，螺紋桿與光桿聯(lián)接處圓角半徑為519.48μm，且該位置存在粗糙的機(jī)械加工痕跡(見圖2)。參考GB/T 5782—2016《六角頭螺栓》要求，螺紋規(guī)格為M12的螺栓，其過(guò)渡部分圓角半徑最小值為0.6mm。失效螺栓在螺紋桿與光桿聯(lián)接處圓角與標(biāo)準(zhǔn)要求不符，且表面機(jī)械加工粗糙，容易形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)其斷裂強(qiáng)度時(shí)，容易在應(yīng)力集中的薄弱處發(fā)生斷裂。

（2）化學(xué)成分分析

螺栓材料化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。5根送檢螺栓中2號(hào)、3號(hào)螺栓化學(xué)成分中硫元素超標(biāo)，不滿足GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對(duì)8.8級(jí)螺栓的材質(zhì)要求，其他螺栓雖然S含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但基本接近上限。

（3）金相檢驗(yàn)

對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行顯微組織分析，如圖3所示。螺栓金相組織為珠光體+沿奧氏體晶界分布的鐵素體，縱向存在軋制態(tài)帶狀組織，珠光體與鐵素體含量相當(dāng)。根據(jù)GB/T3098.1—2010規(guī)定8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，從而獲得回火索氏體，才能達(dá)到力學(xué)性能所規(guī)定的各項(xiàng)要求。顯然，斷裂螺栓基體金相組織與標(biāo)準(zhǔn)要求不符，說(shuō)明該批螺栓制造過(guò)程中未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

（4）力學(xué)性能測(cè)試

斷裂螺栓橫截面硬度檢測(cè)結(jié)果如表2所示。GB/T 3098.1—2010中規(guī)定了8.8級(jí)螺栓(螺栓直徑≤16mm)布氏硬度最小值為238HBW，最大值為328HBW，表2中測(cè)量結(jié)果顯示螺栓材料硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 斷裂螺栓硬度檢測(cè)結(jié)果 (HBW)

對(duì)1號(hào)螺栓進(jìn)行室溫拉伸性能檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。根據(jù)GB/T 3098.1—2010力學(xué)性能為8.8級(jí)的螺栓抗拉強(qiáng)度Rm≥800MPa、屈服強(qiáng)度RP0.2≥640MPa、斷后伸長(zhǎng)率A≥12%、斷面收縮率Z≥52%。送檢螺栓抗拉強(qiáng)度Rm=807MPa、屈服強(qiáng)度RP0.2=791MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。一般認(rèn)為屈強(qiáng)比保持在0.8~0.85時(shí)有較好的綜合力學(xué)性能，送檢螺栓屈強(qiáng)比為0.98，接近于1，表明材料的抗變形能力較強(qiáng)，塑韌性較差，因此斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 螺栓室溫拉伸性能

（5）斷口微觀分析

如圖4所示，是由掃描電鏡微觀觀察的照片，可以看出斷口宏觀上有明顯的臺(tái)階狀特征，微觀上呈解理+少量韌窩特征;1區(qū)為啟裂區(qū)，2區(qū)和3區(qū)為擴(kuò)展區(qū)，微觀上呈現(xiàn)明顯的解理特征，4區(qū)、5區(qū)為終斷區(qū)，微觀上可見韌窩形貌。斷口在低倍下整體呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)擴(kuò)展的趨勢(shì)，韌窩方向性明顯。

2、分析與討論

宏觀分析發(fā)現(xiàn)斷裂的3根螺栓中，2根螺栓斷裂于螺紋桿與光桿聯(lián)接處，另一根螺栓斷裂于第3~4個(gè)螺牙牙底處。未斷裂螺栓在退刀槽處發(fā)現(xiàn)明顯的機(jī)械加工痕跡，且表面粗糙。根據(jù)GB/T 5782—2016要求，8.8級(jí)M12螺栓最大公稱直徑為12.00mm，且螺紋桿與無(wú)螺紋桿聯(lián)接處圓滑過(guò)渡，其過(guò)渡部分圓角半徑最小值為0.6mm。而所提供的失效螺栓螺紋桿徑為11.85mm，無(wú)螺紋桿徑為13.98mm，螺紋桿與無(wú)螺紋桿聯(lián)接處圓角半徑為519.48μm，該圓角與標(biāo)準(zhǔn)要求不符。

根據(jù)GB/T3098.1—2010規(guī)定，力學(xué)性能為8.8級(jí)的螺栓需要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，以獲得回火索氏體，才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)力學(xué)性能要求。斷裂螺栓的顯微組織為珠光體+沿奧氏體晶界分布的鐵素體，縱向存在軋制態(tài)帶狀組織，顯然其金相組織不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。疑為原始棒材直接經(jīng)機(jī)加工而成，并未進(jìn)行后續(xù)調(diào)質(zhì)熱處理。

對(duì)于金相組織為鐵素體+珠光體的碳素鋼部件，其力學(xué)性能主要取決于珠光體及鐵素體的相對(duì)含量、珠光體片層厚度、晶粒大小等。金相組織分析發(fā)現(xiàn)送檢螺栓珠光體與鐵素體含量相當(dāng)，且珠光片層粗大、厚度不均。當(dāng)碳素鋼中的珠光體與鐵素體含量相當(dāng)時(shí)，受強(qiáng)大剪切應(yīng)力作用時(shí)，裂紋的擴(kuò)展將無(wú)法沿表面能較低的鐵素體進(jìn)行，而是通過(guò)撕裂珠光體的形式進(jìn)行，其力學(xué)性能受珠光體解理開裂強(qiáng)度的制約，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢修人員反饋，螺栓是在回裝擰緊過(guò)程中出現(xiàn)斷裂，當(dāng)螺栓承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力載荷時(shí)，螺栓各點(diǎn)處均處于剪應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合力學(xué)性能數(shù)據(jù)來(lái)看，螺栓存在脆性過(guò)大、韌性明顯不足的問題，表現(xiàn)在斷口上即出現(xiàn)解理斷裂模式。

3、結(jié)論與建議

通過(guò)以上分析可知，該批送檢螺栓在制造過(guò)程中未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，未達(dá)到理想態(tài)的顯微組織，從而致使基體強(qiáng)度較低，塑韌性不足，這是造成送檢螺栓斷裂失效的主要原因。

建議加強(qiáng)螺栓產(chǎn)品的入廠檢驗(yàn)工作，確保所采購(gòu)螺栓按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行生產(chǎn)。加工螺栓零件時(shí)，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求控制過(guò)渡圓角半徑，并用滾輪滾壓螺紋牙根凹處和螺紋桿與光桿交接處圓角，減輕應(yīng)力集中。

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