寶鋼化工公司希羅E螺栓斷裂失效附圖

**化工公司希羅E-2201螺栓斷裂失效分析摘要：**化工公司希羅E-2201螺栓使用后不久在螺紋根部處發(fā)生斷裂并脫落，采用金相分析法和斷口分析法及理化檢驗，對螺栓斷裂原因進行了分析。得出螺栓表面脫碳層超標(biāo)、熱處理工藝不當(dāng)以及根部微裂紋是引起螺栓斷裂的根本原因。關(guān)鍵詞：螺栓斷裂失效分析裂紋脫碳層概述42CrMo是中碳低合金鋼，一般經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理后使用。**化工公司希羅E-2201螺栓采用42CrMo材質(zhì)，該螺栓規(guī)格為φ48mm，用于換熱器法蘭上，周圍環(huán)境溫度約為275℃，載荷重量75kg，使用時螺栓既受法蘭上下運動時的拉力，又要受到法蘭旋轉(zhuǎn)時的扭力，在使用后不久，有一根螺栓從螺紋根部處發(fā)生斷裂。（示意圖如下）。斷裂處斷裂處圖1螺栓斷裂部位2理化檢驗2.1顯微組織分析在斷口處取樣（縱向和橫向），經(jīng)研磨、拋光和4％硝酸酒精溶液腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察，其斷口宏觀形貌、拋光態(tài)及顯微組織如照片1～11所示。主要結(jié)果為：試樣拋光態(tài)下發(fā)現(xiàn)有夾雜物，其性質(zhì)為球狀氧化物，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T10561-2005評定級別為D2。從斷口上可以看出，斷裂源位于螺紋根部，根部裂紋是斷裂的起源。另外，螺紋牙尖上發(fā)現(xiàn)有微小裂紋。螺紋表面顯微組織較均勻，主要是回火索氏體。但隨著表面到心部距離的增加，心部組織越來越不均勻，呈現(xiàn)帶狀組織偏析，組織為回火馬氏體＋鐵素體＋碳化物。螺紋表面脫碳層深度為0.151mm，超過GB/T3098.1中規(guī)定的0.015mm的極限。照片1螺栓斷口宏觀形貌照片2橫截面拋光態(tài)100×照片3縱截面拋光態(tài)100×照片4螺紋牙表面裂紋100×照片5螺紋表面脫碳層100×照片6斷口附近螺紋顯微組織100×照片7斷口附近螺紋顯微組織1000×照片8心部顯微組織100×照片9心部顯微組織1000×照片10斷口處顯微組織200×照片11斷口處顯微組織200×2.2硬度檢測結(jié)果：硬度測試值如表1所示。從硬度檢測結(jié)果可看出，拋去測量誤差（±27），硬度合格。（標(biāo)準(zhǔn)值304～361HB）。表1硬度測試值測試位置硬度值（HB）斷口附近縱截面360、361、359、374、375、360、361、381、361、360斷口處橫截面386、361、365、360、349、347、365、358、372、3702.3力學(xué)試驗結(jié)果力學(xué)試驗結(jié)果如表2所示。從結(jié)果來看，三組沖擊值中有兩組值偏低（標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)≥20），可判定不合格。（注：力學(xué)試驗取樣部位為螺栓基體3/4處）。表2力學(xué)性能表樣品編號寬度厚度或直徑mm拉伸試驗沖擊U型下屈服強度ReL抗拉強度Rm斷后伸長率%A+20℃10×10×555(mm)屈服力kN強度MPa最大力kN強度MPa實測值實測值J1-19.9678.591010103.81133012.5//2-1//////262-2//182-3//182.4化學(xué)分析結(jié)果：在螺栓基體處取樣進行了化學(xué)成分分析，結(jié)果如表3所示：表3化學(xué)成分檢驗項目C(%)S(%)P(%)Si(%)Mn(%)Mo(%)Cu(%)Ni(%)Cr(%)檢驗數(shù)據(jù)0.420.0070.0280.210.540.15//1.032.5斷口分析結(jié)果將斷口進行多次清洗后在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)斷裂起源于螺紋根部，在斷裂源低倍形貌下可見沿晶特征，在擴展區(qū)高倍下，斷口特征為準(zhǔn)解理＋韌窩＋沿晶的混合斷口形貌，未見有疲勞斷裂特征。。照片12斷口低倍倍形貌照片13斷裂源區(qū)區(qū)的沿晶形貌貌照片14斷裂源源區(qū)的沿晶形形貌照片15斷口擴擴展區(qū)的混合合斷口形貌照片16斷口擴擴展區(qū)的混合合斷口形貌分析與討論該螺栓是在拉力和扭力共同作用下斷裂的，使用時承受較大的交變載荷，故要求螺栓應(yīng)具有較高的的強度和較好的沖擊韌性。根據(jù)成分分析可知，該螺栓符合要求，可排除因材料錯用而造成的斷裂。從金相檢驗來看，螺紋表面顯微組織較均勻，主要是回火索氏體。但隨著表面到心部距離的增加，心部組織越來越不均勻，呈現(xiàn)帶狀組織偏析，組織為回火索氏體＋鐵素體＋碳化物，從而使得晶界發(fā)生弱化，而且螺紋表面脫碳層超標(biāo)嚴(yán)重。這些都印證了力學(xué)性能不合格的這一結(jié)果。造成金相檢驗和力學(xué)性能不合格的原因很可能就是熱處理工藝不正確或淬火＋回火不充分，再加上螺紋根部裂紋，在交變載荷作用下，螺栓即發(fā)生斷裂。結(jié)論與建議螺紋根部裂紋是引起螺栓斷裂的起源，裝配時可能施加過大的預(yù)緊力，在使用中，外加拉力、彎曲等復(fù)合載荷與裝配應(yīng)力疊加達一定值時，裂紋迅速擴展，而螺紋表面脫碳層超標(biāo)以及熱處理不充分或工藝不恰當(dāng)引起的心部顯微組織偏析加速了螺栓發(fā)生瞬時的脆性斷裂。建議螺栓在熱處理前進行無損檢測，防止由于材料本身或機加引起的表面缺陷。由于螺栓規(guī)格較大，所以熱處理時要制定好熱處理工藝，并完全按照工藝執(zhí)行，以保證螺栓表面無淬火裂紋，脫碳層深度不超過0.015mm，顯微組織中馬氏體含量保證在90％以上。建議在熱處理后進行氫含量