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淺析螺栓失效的原因以及我們應(yīng)該如何預(yù)防

作者:admin 發(fā)布日期:2022/10/10 關(guān)注次數(shù): 二維碼分享

螺栓失效形式較多,而且大多失效都與安裝施工有關(guān),但目前常見的失效分析,都是將失效螺栓送第三方檢測機(jī)構(gòu),僅以螺栓本身檢測分析為主,往往不去現(xiàn)場進(jìn)行現(xiàn)場勘察,忽略了現(xiàn)場安裝施工。那么跟著小編一起來看看螺栓失效的原因以及我們應(yīng)該如何預(yù)防呢?

1掉頭

掉頭,是螺栓失效的常見形式,也是一種比較嚴(yán)重的失效形式。根據(jù)螺栓掉頭最根本的原因,主要從頭桿結(jié)合處應(yīng)力集中、墊圈面邊沿應(yīng)力集中、鍛造裂紋、氫脆斷裂、設(shè)計與選材5個方面分析。

頭桿結(jié)合處應(yīng)力集中

(1)失效案例。圖 1、圖 2 是淬火裂紋導(dǎo)致螺栓掉頭最典型的案例,圖中斷口黑色區(qū)域就是明顯的淬火裂紋特征。

(2)原因分析。高強(qiáng)度螺栓在淬火冷卻時,鋼中的奧氏體組織向馬氏體組織轉(zhuǎn)變,體積增大,產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力由內(nèi)向外膨脹,當(dāng)螺栓截面存在面積急劇變化的尖角時,便會在應(yīng)力釋放過程中,尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中,而當(dāng)尖角處的應(yīng)力集中大于表面淬火狀態(tài)的馬氏體強(qiáng)度時,便出現(xiàn)開裂。造成圖 1、圖 2 螺栓掉頭的根本原因是螺栓頭下圓弧 r 太小或不規(guī)范,在淬火過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中,進(jìn)而形成淬火裂紋。

(3)預(yù)防措施。對于高強(qiáng)度螺栓來說,頭下圓弧 r 十分重要,1976 版國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 30—76)規(guī)定 r 為具體值,但 從 1986 版開始,螺栓國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頭下圓弧 r 為最小值。

對應(yīng)于螺栓頭下圓弧 r,不論是冷鐓還是熱鍛,在螺栓實際生產(chǎn)過程中重點控制的應(yīng)該是螺栓鐓鍛用下模的 r,一是有意識加大 r 值,二是保證 r 圓弧過渡規(guī)范,而且 在模具加工過程中絕對不能出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象(如圖 3)。

墊圈面邊沿應(yīng)力集中

(1)失效案例。圖 4 中,黑色區(qū)域為原始淬火裂紋,灰色區(qū)域為受力后二次開裂。

(2)原因分析。將該類問題螺栓六角頭縱向剖開,剖面如圖 5所示,在六角頭墊圈面邊沿的 A、B 處有明顯的裂紋,說明螺栓六角頭墊圈面邊沿存在應(yīng)力集中,在淬火時形成裂紋,這種裂紋最終將導(dǎo)致螺栓掉頭。

裂紋的金相組織形貌如圖6;磁粉探傷照片如圖 7,標(biāo)識圈內(nèi)所示墊圈面邊沿有明顯的磁粉堆積。

(3)預(yù)防措施。如圖 3 (同上)所示,該類失效的有效控制措施就是適當(dāng)加大并規(guī)范熱鍛下模 R0.5 圓弧過渡及圖中R0.2與R0.5之間的斜度。

該類失效在 M56 及以上大直徑規(guī)格螺栓生產(chǎn)中容 易發(fā)生,對小規(guī)格螺栓,由于墊圈面高度較小(即圖 3 中的尺寸C)不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,因此很少發(fā)生。

為避免上述兩類失效形式,熱處理后進(jìn)行 100%磁粉 探傷是必不可少的,因為在螺栓生產(chǎn)過程中,裂紋不可能絕對避免。

鍛造裂紋

(1)失效案例。失效案例如圖 8 所示,該案例螺栓斷口沒有明顯的淬火裂紋特征。

(2)原因分析。通過宏觀、金相、力學(xué)性能、斷口、能譜等綜合檢測分析,認(rèn)為該案例失效原因是:螺栓加熱時未熱透,鍛造過程中變形抗力與變形速率不匹配,在六角頭芯部形成裂紋,且裂紋經(jīng)調(diào)質(zhì)處理和使用過程中進(jìn)一步擴(kuò)展,最終斷裂。斷口宏觀形貌如圖 9。

(3)預(yù)防措施。該案例主要發(fā)生在大直徑螺栓上,預(yù)防措施與控制辦法是采用紅外線自動控溫技術(shù),在保證不發(fā)生過熱、過燒的前提下使棒料加熱充分而且均勻,特別要加強(qiáng)對加熱棒料的首件進(jìn)行有效控制。

氫脆斷裂

(1)失效案例。失效案例如圖10所示。該螺栓直徑規(guī)格為M36,性能等級為8.8級,材質(zhì)為 42CrMo,表面處理為鍍鋅,斷裂發(fā)生在安裝后。

(2)原因分析。宏、微觀形貌。螺栓斷口宏觀形貌如圖11,斷口源區(qū) (A 區(qū))的宏、微觀形貌如圖12。


脫碳試驗。按照GB/T 3098.1-2010,對螺紋部分進(jìn)行金相法脫碳試驗,在距離螺桿末端1d處沿軸心線取縱截面試樣,磨光、拋光及腐蝕后觀察,形貌見圖 13,表面存在不完全脫碳層,螺紋未脫碳層高度E值為1.411mm,高于標(biāo)準(zhǔn)要求的最低值 1.227mm。

硬度試驗。在源區(qū)附近截面處由表向里進(jìn)行硬度試驗,硬度逐漸增加,距表面 0.1mm 處硬度 256HV(23.0HRC),距表面 0.3mm 處硬度 332HV(34.0HRC), 距表面 0.8mm 處硬度 38.5HRC,接近10.9級螺栓硬度上限值。近表面硬度較低與表面不完全脫碳有關(guān)。

化學(xué)成分分析。采用直讀光譜儀對斷裂螺栓進(jìn)行化 學(xué)成分分析,結(jié)果符合 GB/T 3077—2015 中 42CrMo要求。采用惰性氣體熔融熱導(dǎo)法測定斷裂螺栓氫含量,結(jié)果為1.2ppm。

人為斷口觀察。在斷裂螺栓桿部取縱向光滑試樣,采用手動敲擊方式獲取模擬斷口進(jìn)行電鏡觀察,微觀形貌為韌窩特征,見圖 14。

經(jīng)上述斷口觀察、金相分析、硬度試驗、化學(xué)成分分 析等,認(rèn)為該案例為氫脆延遲斷裂。螺栓在服役較短時間內(nèi)發(fā)生了斷裂,所以氫的來源應(yīng)該是在酸洗、電鍍等工藝中吸收,如果氫的來源是在服役環(huán)境中緩慢進(jìn)入,那么螺 栓應(yīng)在服役較長時間后才可能發(fā)生斷裂。

(3)預(yù)防措施。首先,高強(qiáng)度螺栓應(yīng)盡可能控制硬度上 限,較高的硬度增加了氫脆敏感性;其次,高強(qiáng)度螺栓(特別是12.9級)盡可能避免使用電鍍工藝,從而避免因酸洗、電鍍吸氫導(dǎo)致氫脆。

設(shè)計與選材

(1)失效案例。該案例為 GB/T 14—2013《扁圓頭方頸螺 栓》,性能等級 4.8 級,在安裝使用過程中發(fā)生掉頭,見圖 15。

(2)原因分析。首先從宏觀形貌看,第一感覺認(rèn)為是 頭部變形問題導(dǎo)致掉頭,那我們再看實物拉伸試驗,如圖16。

從實物拉伸試驗結(jié)果看,斷裂全部發(fā)生在螺紋部 位,而且抗拉強(qiáng)度全部符合 GB/T 3098.1—2010 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,說明螺栓掉頭并不是螺栓本身質(zhì)量問題所致。當(dāng)然,考慮頭部變形,使用了塑性比較好的 08Al 材料,這與實物拉伸試驗抗拉強(qiáng)度較低相吻合。

后改用 8.8 級,再沒有發(fā)生過掉頭事件,這就說明 該案例屬于螺栓設(shè)計、選用的性能等級偏低所致;另外在螺栓實際使用過程中,扁圓頭下可能存在剪切。

(3)預(yù)防措施。在緊固件結(jié)構(gòu)型式、性能等級的設(shè)計、選擇上應(yīng)綜合考慮使用環(huán)境、受力情況等,堅持科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理的原則。

當(dāng)然,對頭部變形比較大的螺栓來說,如何設(shè)計冷鐓模 具初沖,保證冷鐓變形過程中合理的金屬流線十分重要。

2斷裂

過載斷裂

(1) 失效案例。該螺栓規(guī)格為 M36×225,性能等級10.9級,材質(zhì) 42CrMoA。斷裂螺栓外觀、斷口宏觀形貌如圖17、圖18;斷裂螺栓的另一段旋合在設(shè)備基體內(nèi)螺紋孔中,經(jīng)專業(yè)鉗工采取特殊手段艱難取出。

(2)原因分析。斷裂螺栓經(jīng)化學(xué)成分、低倍、晶粒度、非金屬夾雜物、顯微組織、脫碳、機(jī)械性能等全面檢測,符 合 GB/T 3077—2015、GB/T 3098.1—2010 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,其中,抗拉強(qiáng)度 Rm 為 1068MPa。

看了圖18的斷口宏觀形貌后,很多人會簡單地判定 為該案例是由于材料內(nèi)部存在裂紋,螺栓由材料內(nèi)部裂 紋缺陷引起失效,其實不然。

這是一例典型的超擰過載斷裂案例,圖17中 A、B、C 三處有明顯的扳擰擠壓痕跡。據(jù)現(xiàn)場斷裂螺栓拆取人員介紹,設(shè)備基體的光孔與螺孔嚴(yán)重不同軸,兩孔軸心線偏離至少2mm。另外,在螺栓抗拉強(qiáng)度1068MPa的情況下,斷裂部位縮頸明顯(如圖 19),充分說明了過載的嚴(yán)重程度。

綜上分析,在螺孔與光孔嚴(yán)重不同軸的情況下安裝,當(dāng)螺栓無螺紋桿部與光孔嚴(yán)重干涉無法擰緊 時強(qiáng)行扳擰, 使螺栓承受過載的拉伸、扳擰扭力以 及干涉剪切等綜合作用,最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

(3)預(yù)防措施。螺栓過載斷裂的案例比較多,預(yù)防措施 應(yīng)根據(jù)具體的原因而定。就本案例而言,對法蘭連接用螺栓應(yīng)采用十字交叉法多步緊固的方法,盡可能減小螺孔與光孔同軸度的累計誤差。

疲勞斷裂

(1)失效案例。該案例為某風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因塔筒連接 螺栓發(fā)生斷裂導(dǎo)致了倒塌事故,斷裂螺栓為:直徑規(guī)格M36、性能等級10.9級材質(zhì) 42CrMoA。

(2)原因分析。現(xiàn)場勘察時發(fā)現(xiàn)有 4 顆螺栓的斷口上 存在與螺栓軸向大致垂直的斷裂面,為首斷裂件 (如圖 20);其他斷裂螺栓斷口均比較粗糙,存在明顯的彎曲變形和塑性變形特征,為后斷裂件。

觀察圖 20 螺栓斷口,特征基本相似,斷口上均包含 了兩個特征比較明顯的區(qū)域,一部分?jǐn)嗫诖笾屡c螺栓軸線垂直,相對比較平坦、細(xì)膩,為斷裂起始區(qū)域;另一部分?jǐn)嗫谳^為粗糙,斷面大致與螺栓軸線成 45°角,具有剪切特征,為最后的一次性瞬斷區(qū)域。

掃描電鏡形貌觀察結(jié)果顯示,4個斷口上相對平坦 的區(qū)域均存在疲勞輝紋,與螺栓軸線成 45°角的區(qū)域斷口形貌為韌窩??梢娫摪咐菟▽儆谄跀嗔选?/span>

(3)預(yù)防措施。螺栓的疲勞斷裂一般都與預(yù)緊力或螺 栓松動有關(guān)。導(dǎo)致螺栓松動的原因較多,如:設(shè)備運行過程中的振動、高低載荷變化、沖擊,以及安裝時預(yù)緊力過低未采取適當(dāng)?shù)姆浪纱胧?、裝配不當(dāng)?shù)?。所以?預(yù)防螺栓疲勞斷裂的措施關(guān)鍵在于嚴(yán)格執(zhí)行安裝規(guī)范。

縮徑裂紋

(1)失效案例。該案例螺栓為:直徑規(guī)格 M36、性能等級10.9、材質(zhì)42CrMoA。生產(chǎn)工藝流程為:原材料退火→ 鋸料→平頭倒角→潤滑→縮徑→熱鍛→六角頭倒角→調(diào) 質(zhì)處理→校直→滾絲→表面處理。

斷裂螺栓宏觀形貌如圖21,斷口宏觀形貌如圖 22。

(2)原因分析。對材料化學(xué)成分、螺栓機(jī)械性能進(jìn)行全面檢測,均符合GB/T 3077—2015、GB/T 3098.1— 2010 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

斷口宏觀形貌如圖22, 將斷口分為 A、B、C、D 四個區(qū)域分析,可見 A、B、C 三個區(qū)域斷面平齊,有明顯放射線,收斂于 A 區(qū);D 區(qū)與螺 栓軸線大致呈 45°角,為剪切唇區(qū)。裂紋起源和擴(kuò)展方向如圖中箭頭所示。

斷口金相試樣低倍形貌如圖 23、圖 24 所示。

圖25為斷裂螺栓末端縱截面取樣位置及縱截面宏觀形 貌,可見在距離末端第 3 扣螺紋對應(yīng)位置內(nèi)部存在橫向裂紋。

螺栓斷裂發(fā)生在螺紋部分,而且螺栓螺紋坯徑是通過縮徑完成,再從斷口金相分析來看,這是典型的竹節(jié)狀縮 徑裂紋特征,可能造成縮徑裂紋的直接原因是材料退火不 充分、不均勻。

螺栓縮徑是一個冷變形過程,對合金結(jié)構(gòu)鋼(35VB 除外,因為 35VB 是免退火材料,具有良好的冷變形性能)和含碳量在 0.30%以上的碳素結(jié)構(gòu)鋼而言,縮徑之前應(yīng)對原材料進(jìn)行球化退火處理, 以便得到強(qiáng)度、硬度較低,塑性較好的粒狀珠光體。

如果原材料退火不充分、不均勻,原材料的強(qiáng)度、硬度較高,在帶狀分布的片狀珠光體組織狀態(tài)下進(jìn)行縮徑,就會 產(chǎn)生較大的變形應(yīng)力,這種內(nèi)應(yīng)力作用下在材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋。后期進(jìn)行淬火處理時,由于過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生相變應(yīng)力,中心區(qū)微裂紋勢必會向四周擴(kuò)展,同時,內(nèi)裂紋被擠壓,張開,形成圖25所示“月牙形”內(nèi)裂紋。

(3)預(yù)防措施。對該類失效形式最直接的預(yù)防措施是 改縮徑為車削加工。當(dāng)然,考慮生產(chǎn)效率因素要采用縮徑工藝,以及采用冷拔、冷鐓作業(yè)時,必須加強(qiáng)原材料的退火工序控制,而且保證退火的充分性、均勻性。

3螺紋滑扣

(1)失效案例?;?,是螺栓比較常見的失效形式,案例較多,這里不再一一列舉。

(2)原因分析。就螺栓本身質(zhì)量來說,螺紋脫碳是引起螺栓滑扣的最主要原因,但隨著近20年來緊固件技術(shù)的進(jìn)步,高強(qiáng)度螺栓普遍采用有氣氛保護(hù)的托輥式網(wǎng)帶爐熱處理生產(chǎn)線,并且螺紋加工都在調(diào)質(zhì)熱處理之后,這就有效地解決了螺紋脫碳問題。

所以,目前所見螺栓滑扣大都與安裝施工有關(guān)系;具體要根據(jù)實際失效形式以及安裝施工過程進(jìn)行分析。2010年9月,筆者帶著緊固件常見失效問題,歷時一個月時間走訪了國內(nèi)5個省份近10個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝現(xiàn)場,其中在一個現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)螺栓涂抹二硫化鉬的方式是:將螺栓全部立起來擺放在塔筒周圍的地面上,然后涂抹二硫化鉬,可是,滿地的螺栓,一不小心就將螺栓打倒,地面上有大量的砂粒, 砂粒粘附在螺栓螺紋部分的二硫化鉬上,安裝過程中會發(fā)生啥情況可想而知。

(3)預(yù)防措施。螺栓滑扣失效,對螺栓制造者來說,重點是采取熱 處理過程氣氛保護(hù)、先熱處理后滾壓螺紋等工藝手段防止螺紋脫碳;而對螺栓使用者來說,重點是嚴(yán)格按照安裝施工規(guī)范作業(yè)并加強(qiáng)對現(xiàn)場螺栓的保護(hù)。

4螺紋咬死

對碳鋼緊固件來說,螺紋發(fā)生咬死的主要原因是螺 紋毛刺等缺陷。下面重點就不銹鋼螺紋咬死進(jìn)行分析。

(1)失效案例。螺紋咬死后剖切開的形貌如圖 26 所示。

(2)原因分析。為了探明不銹鋼螺栓、螺母螺紋發(fā)生咬死的原因,利用線切割將發(fā)生咬死的試樣沿螺栓軸線切開,對咬死后螺牙損傷形貌進(jìn)行觀察,內(nèi)外螺紋連接處在激光共聚焦顯微鏡下的形貌如圖 27,可見,內(nèi)外螺牙均發(fā)生嚴(yán)重磨損,有的螺牙在高度方向上磨掉約 70%,并且磨屑在配 合螺牙間堆積,成為一個整體。

將剖切試樣的螺栓部分與螺母部分分開離,螺栓和螺母的典型損傷形貌如圖 28??梢?,螺栓與螺母都發(fā)生了嚴(yán)重磨損,螺牙存在撕裂現(xiàn)象,磨屑在螺牙間堆積,對螺紋的旋入和旋出產(chǎn)生了阻塞作用,使得螺紋徹底咬死。

將剖切試樣的螺栓部分與螺母部分分開離,螺栓和螺母的典型損傷形貌如圖 28。可見,螺栓與螺母都發(fā)生了嚴(yán)重磨損,螺牙存在撕裂現(xiàn)象,磨屑在螺牙間堆積,對螺紋的旋入和旋出產(chǎn)生了阻塞作用,使得螺紋徹底咬死。

快速預(yù)緊和快速拆卸引起的螺牙間高溫導(dǎo)致不銹鋼螺牙表面發(fā)生嚴(yán)重黏著磨損;黏著磨損產(chǎn)生的磨屑在螺牙間堆積,阻礙了螺牙的旋合過程并最終引起咬死。

(3)預(yù)防措施。減小預(yù)緊和拆卸速度可降低螺牙間溫度,從而減輕黏著磨損,降低不銹鋼螺紋發(fā)生咬死的概率。涂膠可通過降低螺牙面的摩擦系數(shù)降低螺牙間溫度,從而防止不銹鋼螺紋連接發(fā)生咬死的現(xiàn)象。

以上就是小編分享的螺栓會失效的簡單介紹了,相信大家對此都有了一定的認(rèn)識,如果大家還有其他方面想要了解的,歡迎咨詢。

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