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(guī)格為M36×175，性能等級為10.9級，材質(zhì)為B7，表面達(dá)克羅處理。失效螺栓用于固定上下兩個塔筒，服役2年后發(fā)生斷裂，委托方要求分析斷裂原因。圖1所示為送檢樣品宏觀形貌，可見兩枚斷裂螺栓的斷裂位置均位于頭桿連接處，如圖中箭頭所示。圖2所示為其中送檢螺栓的側(cè)面宏觀形貌，可見螺栓光桿處均存在局部磨損、腐蝕的現(xiàn)象，如圖中箭頭所示。
圖1 送檢試樣外觀
圖2 送檢螺栓側(cè)面宏觀形貌
2. 斷口分析
圖3所示為2件失效螺栓斷口宏觀形貌，選取其中1件斷口進(jìn)行分析，如圖中箭頭所示。
圖3 失效螺栓斷口宏觀形貌
圖4所示為所選斷裂件的斷口宏觀形貌，斷口未見明顯塑性變形，斷面上半部分腐蝕嚴(yán)重（圖中A、B區(qū)），但仍可見隱約的海灘花樣；斷面下半部分（圖中C區(qū)）為新鮮斷口，呈金屬本色，新鮮斷口面積約占整個斷面面積的四分之一。
圖4 斷口宏觀形貌
圖5、圖6所示為A區(qū)微觀形貌，可見明顯的磨損痕跡。
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B區(qū)微觀形貌，可見明顯的疲勞輝紋，為裂紋擴展區(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C區(qū)微觀形貌，可見明顯的等軸韌窩和剪切韌窩，為終斷區(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所示為送檢斷裂螺栓芯部金相組織，為均勻的回火索氏體組織。
圖12 斷裂螺栓芯部金相組織
圖13所示為失效螺栓斷口起始源區(qū)（頭下圓角處）表面金相組織，可見存在深度約22μm的全脫碳層以及深度約為200μm的裂紋。
圖13 斷裂螺栓頭下圓角表面金相組織
圖14、圖15所示為送檢完好螺栓頭下圓角處表面組織，可見存在深度約0.15mm的半脫碳層，未發(fā)現(xiàn)全脫碳及不連續(xù)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所示為失效螺栓的非金屬夾雜物情況，根據(jù)“GB-T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)”可評定為D類球狀氧化物夾雜（細(xì)系）1.5級，A類硫化物夾雜（細(xì)系）1級。
圖16 失效螺栓非金屬夾雜物
圖17、圖18所示分別為失效螺栓與完好螺栓頭部低倍組織，可見頭部連續(xù)流暢且延頭部外形分布，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。
圖17 失效螺栓頭部流線
4. 力學(xué)性能檢測
對斷裂螺栓進(jìn)行表、芯硬度試驗，結(jié)果如表1所示，結(jié)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(jìn)行力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)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)性能檢測
5. 螺栓材質(zhì)分析 采用直讀光譜法對斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表3所示，符合“ASTM A193_A193M-2012b”標(biāo)準(zhǔn)中對B7材料的要求,。
表3 斷裂螺栓化學(xué)成分
6．綜合分析
送檢斷裂螺栓芯部金相組織、非金屬夾雜物、頭部流線、化學(xué)成分、力學(xué)性能等均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。斷口宏觀形貌可見大面積的海灘花樣，微觀可見大量疲勞輝紋，呈典型疲勞斷裂特征。疲勞源區(qū)位于頭下圓角位置，為應(yīng)力集中區(qū)；金相檢驗發(fā)現(xiàn)斷裂螺栓頭下圓角處的表面存在全脫碳現(xiàn)象且發(fā)現(xiàn)了多條顯微裂紋，判定為已萌生但尚未充分?jǐn)U展的疲勞裂紋。
此外，送檢的5根螺栓的光桿部位均存在局部磨損、腐蝕現(xiàn)象，判斷應(yīng)為螺栓安裝時，因?qū)χ胁涣级鴮?dǎo)致螺栓桿部與塔筒法蘭碰擦所致。安裝對中不良導(dǎo)致螺栓頭桿連接處承受附加彎曲應(yīng)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(dǎo)致螺栓在服役過程中的交變載荷作用下，首先在頭下圓角處萌生疲勞裂紋，裂紋在交變載荷作用下不斷擴展，直至螺栓斷裂。
7. 結(jié)論
（1）螺栓的斷裂性質(zhì)是疲勞斷裂；
（2）螺栓力學(xué)性能指標(biāo)及化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)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，以及安裝時對中不良。
