1. 概述
委托方提供斷裂螺栓2件，完好螺紋連接副4組，螺栓規格為(wèi)M36×175，性能(néng)等級為(wèi)10.9級，材質(zhì)為(wèi)B7，表面達克羅處理(lǐ)。失效螺栓用(yòng)于固定上下兩個塔筒，服役2年後發生斷裂，委托方要求分(fēn)析斷裂原因。圖1所示為(wèi)送檢樣品宏觀形貌，可(kě)見兩枚斷裂螺栓的斷裂位置均位于頭杆連接處，如圖中(zhōng)箭頭所示。圖2所示為(wèi)其中(zhōng)送檢螺栓的側面宏觀形貌，可(kě)見螺栓光杆處均存在局部磨損、腐蝕的現象，如圖中(zhōng)箭頭所示。
圖1 送檢試樣外觀
圖2 送檢螺栓側面宏觀形貌
2. 斷口分(fēn)析
圖3所示為(wèi)2件失效螺栓斷口宏觀形貌，選取其中(zhōng)1件斷口進行分(fēn)析，如圖中(zhōng)箭頭所示。
圖3 失效螺栓斷口宏觀形貌
圖4所示為(wèi)所選斷裂件的斷口宏觀形貌，斷口未見明顯塑性變形，斷面上半部分(fēn)腐蝕嚴重（圖中(zhōng)A、B區(qū)），但仍可(kě)見隐約的海灘花(huā)樣；斷面下半部分(fēn)（圖中(zhōng)C區(qū)）為(wèi)新(xīn)鮮斷口，呈金屬本色，新(xīn)鮮斷口面積約占整個斷面面積的四分(fēn)之一。
圖4 斷口宏觀形貌
圖5、圖6所示為(wèi)A區(qū)微觀形貌，可(kě)見明顯的磨損痕迹。
圖5 斷面A區(qū)微觀形貌
圖6 斷面A區(qū)微觀形貌
圖7、圖8、圖9所示為(wèi)B區(qū)微觀形貌，可(kě)見明顯的疲勞輝紋，為(wèi)裂紋擴展區(qū)。
圖7 斷面B區(qū)微觀形貌
圖8 斷面B區(qū)微觀形貌
圖9 斷面B區(qū)微觀形貌
圖10、圖11所示為(wèi)C區(qū)微觀形貌，可(kě)見明顯的等軸韌窩和剪切韌窩，為(wèi)終斷區(qū)。
圖10 斷面C區(qū)微觀形貌
圖11 斷面C區(qū)微觀形貌
3. 金相檢測
圖12所示為(wèi)送檢斷裂螺栓芯部金相組織，為(wèi)均勻的回火索氏體(tǐ)組織。
圖12 斷裂螺栓芯部金相組織
圖13所示為(wèi)失效螺栓斷口起始源區(qū)（頭下圓角處）表面金相組織，可(kě)見存在深度約22μm的全脫碳層以及深度約為(wèi)200μm的裂紋。
圖13 斷裂螺栓頭下圓角表面金相組織
圖14、圖15所示為(wèi)送檢完好螺栓頭下圓角處表面組織，可(kě)見存在深度約0.15mm的半脫碳層，未發現全脫碳及不連續性缺陷。
圖14 完好螺栓頭下圓角表面組織
圖15 完好螺栓頭下圓角表面組織
圖16所示為(wèi)失效螺栓的非金屬夾雜物(wù)情況，根據“GB-T 10561-2005 鋼中(zhōng)非金屬夾雜物(wù)含量的測定标準”可(kě)評定為(wèi)D類球狀氧化物(wù)夾雜（細系）1.5級，A類硫化物(wù)夾雜（細系）1級。
圖16 失效螺栓非金屬夾雜物(wù)
圖17、圖18所示分(fēn)别為(wèi)失效螺栓與完好螺栓頭部低倍組織，可(kě)見頭部連續流暢且延頭部外形分(fēn)布，未發現明顯異常。
圖17 失效螺栓頭部流線(xiàn)
4. 力學(xué)性能(néng)檢測
對斷裂螺栓進行表、芯硬度試驗，結果如表1所示，結果滿足“GB/T 3098.1-2010”對于10.9級螺栓的要求。
表1 失效螺栓表芯硬度檢測
對送檢完好螺栓進行力學(xué)性能(néng)試驗，試驗結果如表2所示，符合“GB/T 3098.1-2010” 對于10.9級螺栓的要求。
表2 完好螺栓力學(xué)性能(néng)檢測
5. 螺栓材質(zhì)分(fēn)析 采用(yòng)直讀光譜法對斷裂螺栓進行化學(xué)成分(fēn)分(fēn)析，結果如表3所示，符合“ASTM A193_A193M-2012b”标準中(zhōng)對B7材料的要求,。
表3 斷裂螺栓化學(xué)成分(fēn)
6．綜合分(fēn)析
送檢斷裂螺栓芯部金相組織、非金屬夾雜物(wù)、頭部流線(xiàn)、化學(xué)成分(fēn)、力學(xué)性能(néng)等均未發現明顯異常。斷口宏觀形貌可(kě)見大面積的海灘花(huā)樣，微觀可(kě)見大量疲勞輝紋，呈典型疲勞斷裂特征。疲勞源區(qū)位于頭下圓角位置，為(wèi)應力集中(zhōng)區(qū)；金相檢驗發現斷裂螺栓頭下圓角處的表面存在全脫碳現象且發現了多(duō)條顯微裂紋，判定為(wèi)已萌生但尚未充分(fēn)擴展的疲勞裂紋。
此外，送檢的5根螺栓的光杆部位均存在局部磨損、腐蝕現象，判斷應為(wèi)螺栓安(ān)裝(zhuāng)時，因對中(zhōng)不良而導緻螺栓杆部與塔筒法蘭碰擦所緻。安(ān)裝(zhuāng)對中(zhōng)不良導緻螺栓頭杆連接處承受附加彎曲應力；加上螺栓圓角處存在全脫碳缺陷，疲勞強度不足，以上因素共同影響，導緻螺栓在服役過程中(zhōng)的交變載荷作(zuò)用(yòng)下，首先在頭下圓角處萌生疲勞裂紋，裂紋在交變載荷作(zuò)用(yòng)下不斷擴展，直至螺栓斷裂。
7. 結論
（1）螺栓的斷裂性質(zhì)是疲勞斷裂；
（2）螺栓力學(xué)性能(néng)指标及化學(xué)成分(fēn)符合标準要求；
（3）螺栓疲勞斷裂的根本原因是頭下圓角處存在全脫碳，以及安(ān)裝(zhuāng)時對中(zhōng)不良。
