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礦機(jī)用斷裂雙頭螺栓失效原因分析

2020-08-03 14:54:24 

某礦機(jī)用雙頭螺栓,規(guī)格為φ20×150,等級(jí)為10.9級(jí),材質(zhì)為35Cr鋼,表面發(fā)黑處理。安裝在礦機(jī)橋殼上固定主減速器,服役約2000h發(fā)生斷裂。

   螺栓在螺紋處斷裂,斷口斷面的邊沿位于螺紋的牙底和牙側(cè),斷口見圖11-152、圖11-153。

圖11-152 斷裂件斷口宏觀照片圖11-153 斷面低倍形貌

圖11-152 件斷口宏觀照片          圖11-153  斷面低倍形貌  

對(duì)斷口進(jìn)行檢查,圖11-153為送檢螺栓斷面低倍形貌,可見斷面邊緣位于螺紋處牙底和牙側(cè)面,表面無明顯腐蝕產(chǎn)物和冶金缺陷,斷面左右兩側(cè)較平整光滑,邊緣光亮,左右兩側(cè)的光滑斷面間由一粗糙的帶狀區(qū)域所分隔,該帶狀區(qū)域約占整個(gè)斷面面積的10%,現(xiàn)將整個(gè)斷面分為A1區(qū)、A2區(qū)、B1、B2區(qū)和C1、C2區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步微觀觀察。圖11-154為斷面A1、A2區(qū)邊沿微觀形貌。

圖11-155、圖11-156為圖11-153斷面的A1、A2區(qū)微觀形貌,表面有磨損痕跡,邊沿有較多的裂紋源臺(tái)階,表面的磨損、擠壓痕跡處為裂紋源區(qū)。

圖11-154 斷面A1、A2區(qū)邊沿微觀形貌

圖11-154  斷面A1、A2區(qū)邊沿微觀形貌      

圖11-155 斷面A1區(qū)微觀形貌 圖11-156斷面A2區(qū)微觀形貌

圖11-155 A1區(qū)微觀形貌                圖11-156斷面A2區(qū)微觀形貌

圖11-157、圖11-158所示為斷面B1、B2區(qū)微觀形貌,可見明顯的疲勞條帶,疲勞條帶間距較小,為裂紋擴(kuò)展區(qū)。

圖11-157 斷面B1區(qū)微觀形 圖11-158 斷面B2區(qū)微觀形

圖11-157  斷面B1區(qū)微觀形                   圖11-158 斷面B2區(qū)微觀形  

圖11-159、圖11-160所示為斷面C區(qū)微觀形貌,可見大量等軸韌窩,為最終斷裂區(qū)。

圖11-159 斷面C區(qū)微觀形貌 圖11-160 斷面C區(qū)微觀形貌

 圖11-159  斷面C區(qū)微觀形貌             圖11-160  斷面C區(qū)微觀形貌

金相檢查,圖11-161所示為斷裂螺栓心部金相組織,為回火索氏體組織。

   圖11-161 斷裂螺栓心部金相組織

11-161  斷裂螺栓心部金相組織

圖11-162、圖11-163所示為牙側(cè)有折疊缺陷,其法向深度為55μm,未超

過牙高的1/4,且未延伸至中徑以下。

圖11-162斷裂螺栓牙側(cè)折疊缺陷圖11-163斷裂螺栓牙側(cè)折疊缺陷

圖11-162斷裂螺栓側(cè)折疊缺陷      圖11-163斷裂螺栓牙側(cè)折疊缺陷  

硬度檢測,斷裂螺栓的表面及心部硬度,試驗(yàn)結(jié)果為386HV0.3、375 HV0.3、符合《GB/T 3098.1-2010》320-380HV0.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

采用直讀光譜法對(duì)螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果符合《GB/T3077-1999》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)35CrMo鋼的要求。

斷裂螺栓金相組織、表面缺陷、表面及心部硬度及非金屬夾雜、化學(xué)成分等均符合技術(shù)要求;但該螺栓在螺紋處存在折疊缺陷。

折疊缺陷在螺栓安裝后只是受到靜載荷的拉應(yīng)力作用時(shí),此類折疊缺陷對(duì)螺栓的使用影響不大;如果螺栓安裝后受到交變或震動(dòng)載荷的作用,螺紋部位的折疊缺陷就可能成為裂紋源。

斷口面掃描電鏡微觀形貌顯示,斷面有2個(gè)擴(kuò)展區(qū),且都有明顯疲勞條帶,呈典型疲勞斷裂特征,疲勞條帶間距較窄。2個(gè)疲勞源均為多源臺(tái)階裂紋,都位于斷面邊緣的螺紋牙底和牙側(cè)面,并有明顯的擠壓磨損痕跡;終斷區(qū)面積較小;說明螺栓斷裂時(shí)所承受應(yīng)力較小,該螺栓斷裂呈彎曲交變載荷下的高周、低應(yīng)力疲勞斷裂特征。

車輛運(yùn)行時(shí),橋殼因內(nèi)部構(gòu)件工作及車輛震動(dòng)而受到交變載荷作用,螺栓若在震動(dòng)過程中發(fā)生松動(dòng)便會(huì)使橋殼發(fā)生相對(duì)位移,從而導(dǎo)致螺栓受力狀態(tài)發(fā)生改變,發(fā)生松動(dòng)后的螺栓受力較復(fù)雜,有震動(dòng)交變應(yīng)力、拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、彎曲應(yīng)力。此時(shí),在復(fù)雜交變載荷作用下,應(yīng)力集中的螺紋牙底或牙側(cè)的折疊缺陷處易成為疲勞裂紋源,疲勞裂紋在交變載荷作用下不斷擴(kuò)展,最終螺栓疲勞斷裂。

根據(jù)以上分析,可以得出如下結(jié)論與啟示:

(1)螺栓的斷裂性質(zhì)為高周低應(yīng)力疲勞斷裂。

(2)螺栓服役過程中發(fā)生松動(dòng)是導(dǎo)致其疲勞斷裂的根本原因。

(3)螺栓在螺紋處存在折疊缺陷也是造成疲勞斷裂的原因之一。

(4)建議螺栓在螺紋滾壓加工時(shí)控制折疊缺陷的產(chǎn)生。

(5)建議螺栓安裝時(shí)嚴(yán)格控制預(yù)緊力并采用防松措施,定期檢查螺栓預(yù)緊情況。

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