40ACr高強(qiáng)螺栓斷裂失效分析

       某公司用于固定電機(jī)的M16高強(qiáng)螺栓在服役7年后發(fā)生斷裂，斷裂螺栓的安裝位置如圖1所示。該高強(qiáng)螺栓的材料為40ACr鋼，性能等級為8.8級。斷裂后重新拼接的螺栓形貌如圖2所示。為查明該高強(qiáng)螺栓斷裂的原因，預(yù)防類似失效事故再次發(fā)生，深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院的吳繼權(quán)等對該斷裂螺栓進(jìn)行了失效分析。

圖1 斷裂螺栓的安裝位置


圖2 斷裂螺栓的宏觀形貌

        由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂螺栓的化學(xué)成分符合該類產(chǎn)品基本的技術(shù)要求；脫碳層深度幾乎占到整個(gè)外螺紋的牙型高度，不符合GB/T 3098.1-2010對8.8級高強(qiáng)度螺栓的相關(guān)技術(shù)要求；在橫截面顯微組織中靠近外表層有大塊狀鐵素體以及魏氏組織存在，均表明螺栓在生產(chǎn)過程中組織有過熱現(xiàn)象；脫碳層過渡區(qū)域中有網(wǎng)絡(luò)狀鐵素體，嚴(yán)重割裂了基體的連續(xù)性，使螺栓的強(qiáng)度降低。高強(qiáng)度螺栓在熱處理過程中如冷速較慢，先共析鐵素體會(huì)沿晶析出，呈網(wǎng)絡(luò)狀分布。

        脫碳層的存在會(huì)降低鋼的耐磨性和抗疲勞性能。由于脫碳處抗疲勞性能很低，在使用過程中很容易在脫碳表層應(yīng)力集中處萌生疲勞裂紋源，這與同螺帽聯(lián)接處的失效螺栓橫截面顯微組織中表層有多處裂紋以及斷口分析中發(fā)現(xiàn)的貝殼狀條紋曲率中心靠近螺紋根部相吻合。

        發(fā)生斷裂的螺栓用于固定懸空放置的主電機(jī)，其安裝位置如圖1所示，整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，重心偏向主電機(jī)所在一側(cè)；同時(shí)，主電機(jī)及傳送帶運(yùn)行過程中難免會(huì)發(fā)生振動(dòng)，造成螺栓所承受載荷的性質(zhì)為振動(dòng)載荷。表層裂紋在振動(dòng)載荷的持續(xù)作用下不斷向內(nèi)擴(kuò)展，最終造成螺栓斷裂。

        顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果顯示，螺栓表面最外層的硬度略高于次表層的硬度，一方面可能是由于螺栓在生產(chǎn)過程中對其表面進(jìn)行過特殊處理；另一方面也可能是螺栓在預(yù)緊及服役過程中外表層發(fā)生塑性變形，進(jìn)而出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象所致。