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浙江國檢檢測

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吊塔高強(qiáng)度螺栓斷裂原因分析

2020-07-27 14:47:02 

六角頭螺栓,規(guī)格為M27×280,性能等級為10.9級,表面鍍彩鋅。該螺栓安裝在塔吊底部與基礎(chǔ)連接處,安裝約3、4個(gè)月后發(fā)生斷裂。

螺栓斷裂部位為頭桿部結(jié)合的過渡區(qū),斷口無明顯宏觀塑性變形,兩斷口可良好配合。

六角頭螺栓斷裂件斷裂形貌,見圖11-46。

螺栓頭部斷口,整個(gè)斷面可見明顯的疲勞斷裂特征,斷面平滑,有明顯的脆性疲勞擴(kuò)展特征,圖中箭頭處為疲勞源區(qū),見圖11-47。

疲勞擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞條帶,疲勞擴(kuò)展區(qū)占整個(gè)斷口面積的80%以上,圖11-48白色箭頭所指深色區(qū)域?yàn)樽罱K斷裂區(qū),占整個(gè)斷口面積小于10%。

圖11-46 斷裂螺栓





11-46 斷裂螺栓







圖11-47 桿部斷口宏觀形貌 圖11-48 頭部斷口宏觀形貌

圖11-47 桿部斷口宏觀形貌 圖11-48 頭部斷口宏觀形貌

桿部斷口的四周有碰撞變形痕跡,斷裂源外表面有明顯磨損痕跡,桿部斷裂處斷裂源側(cè)面的磨損痕跡,見圖11-49。

圖11-50為斷裂源區(qū)域形貌,可見許多細(xì)小臺階;疲勞條帶方向?yàn)槠跀U(kuò)展區(qū)。根據(jù)斷口各區(qū)域的面積比,可確定螺栓斷口為低應(yīng)力高周疲勞斷口。

圖11-49 桿部斷口斷裂源側(cè)面磨損痕跡 圖11-50 疲勞源區(qū)域宏觀形貌

圖11-49 桿部斷口斷裂側(cè)面磨損痕跡 圖11-50 疲勞源區(qū)域宏觀形貌

在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌,疲勞源區(qū)域存在磨損凹坑、疤痕和微裂紋未發(fā)現(xiàn)夾雜和冶金缺陷(圖11-51、圖11-52);疲勞擴(kuò)展區(qū)二次裂紋和撕裂棱比較明顯,疲勞條帶少、短、間距小,屬高周疲勞特征(圖11-53、圖11-54);圖11-55為最后斷裂的韌窩特征,該區(qū)域僅出現(xiàn)在斷口邊緣很小部分,說明最后斷裂時(shí)應(yīng)力較小 。

圖11-51 疲勞源形貌 圖11-52 表面磨損疤痕和微裂紋

圖11-51 源形貌 圖11-52 表面磨損疤痕和微裂紋

圖11-53 擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶 圖11-54疲勞條帶放大像

圖11-53 擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶 圖11-54疲勞條帶放大像

圖11-55 最后斷裂的韌窩特征

圖11-55 最后斷裂的韌窩特征

硬度檢測,在斷口附近對螺栓表面、心部硬度檢測,檢測結(jié)果,表面硬度347、352、345 HV0.3;心部硬度324、320、328 HV10,螺栓的硬度值均符合技術(shù)要求,

沿?cái)嗫诳v向截取試塊,制成金相試樣,顯示顯微組織為均勻回火索氏體組織,見圖11-56。


圖11-56 螺栓顯微組織

用直讀光譜法對螺栓化學(xué)成分進(jìn)行分析,化學(xué)成分符合《GB/T 3077-1999》40Cr鋼的要求。

檢測結(jié)果,螺栓的表面、心部硬度、金相組織和化學(xué)成分均符合要求。

從螺栓斷口宏觀和微觀分析可知,螺栓斷口為低應(yīng)力疲勞斷口,斷裂源位于斷口邊緣部位,該處有明顯的磨損痕跡,分析認(rèn)為斷裂螺栓頭桿結(jié)合處由于服役時(shí)長期受到磨損使得表面產(chǎn)生不均勻的磨損擦傷,產(chǎn)生凹坑、微裂紋等缺陷,磨損缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中,萌發(fā)微裂紋,在交變載荷的作用下,裂紋的不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致了螺栓的斷裂。

由于吊車底部和與基礎(chǔ)件都由多個(gè)螺栓連接固定,而發(fā)生斷裂螺栓總共只有幾只,推測斷裂螺栓可能由于安裝時(shí)擰緊力矩不足或安裝時(shí)螺栓與孔的配合不好導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損,螺栓頭桿部結(jié)合的過渡區(qū)產(chǎn)生磨損缺陷,缺陷處為斷裂源,在低應(yīng)力作用下疲勞裂紋不斷擴(kuò)展,最后疲勞斷裂,

根據(jù)以上分析,可以得出如下結(jié)論與啟示:

(1)螺栓的斷裂是疲勞斷裂。

(2)引起螺栓斷裂的根本原因是螺栓頭桿部結(jié)合的過渡區(qū)產(chǎn)生磨損缺陷,缺陷處為斷裂源,在低應(yīng)力作用下疲勞裂紋擴(kuò)展最后疲勞斷裂。

(3)螺栓安裝時(shí)一定要執(zhí)行安裝技術(shù)要求,保證擰緊力矩在技術(shù)要求范圍內(nèi)。

(4)螺栓安裝時(shí)注意或安裝時(shí)螺栓與孔的配合,防止因螺栓與孔的配合不好導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生磨損。

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