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双头螺栓断裂失效分析
高敏花(中船重工集团公司西安东风仪表厂计量处,映西西安710065)
摘要:对泥浆泵双头螺栓运行中发生断裂的原因进行了分析。结果表明,断裂是在交变载荷作用下,由补焊焊接
缺陷(焊接裂纹、夹杂物、粗大组织)引起的高应力疲劳破坏。
关键词:双头螺栓;断裂;补焊;高应力疲劳
中图分类号:TG157文献标识码:B文章编号:0254-6051(2008)04-0099-03
Failure analysis of double-headed bolts
GAO Min-hua
(xi'an Dongfeng Instrument Factory, China Shipbuilding Indusry Corporation, Xian Shaanxi 710065, China)
Abstract: The analysis on crack reasons of a double-headed bolt of a mud pump was studied. The results show that the
fracture of the double-headed bolt is caused by high-stress fatigue damage which arised by repair welding defects(weld
ing cracks, inclusions, coarse grain)under the high alternating loads.
Key words: double-headed bolt; break; repair welding; high stress fatigue
某厂生产的泥浆泵在山东邹县发电厂服役不到3母材化学成分分析结果见表1所示。
个月,其双头螺栓突然断裂,造成了严重的设备事故。
为此作者进行了现场调查、宏观分析、化学分析、断口
分析、徴观组织分析等,初步找到了造成双头螺栓断裂
失效的原因
试验材料与方法
该双头螺栓所选用的材料为35CrMo钢,调质处
理技术要求:245~285HB。
1.1宏观分析
图2双头螺栓的宏观断口形貌
通过宏观观察可以判断:双头螺栓的断口面距左
Fig 2 Macro-fracture of the double-headed bolt
端第一扣螺纹160mm,螺栓光杄部分有纵向补焊焊
源区(区
缝,见图1所示(箭头所指处为焊缝)。图2为该螺栓
慢速扩展区?
展区(区Q
的宏观断口形貌。由图2可知,这是一个典型的疲劳
快扩展区
断口。断口平齐,明显可见疲劳源区(I区),疲劳裂
纹扩展区(Ⅱ区)和瞬时破断区(Ⅲ区),疲劳裂纹扩展
区中可见贝纹线,见图3所示,且疲劳源恰在焊缝处。
断区区
图3断口形貌示意图
图1断裂双头螺栓实物
Fig. 1 Contour of the double-headed bolt
Fig 3 Scheme of the fracture morphology
1.2化学成分分析
表1螺栓母材的化学成分分析结果(质量分数,%)
从失效双头螺栓上取化学成分分析试样,其中C
Table 1 The chemical composition of the bolt steel( wt%o)
元素用 LECO CS44型红外C、S分析仪测定,其余元
素
C
Si
Mn
素用 Baird Petrovac-2000型直读光谱仪测定。螺栓
实测值0.35
0.86
0.20
标准值0.32~
0.40
0.37
2.10
0.25
作者简介:高敏花(19%4ー),女,陕西兴平人,学士,研究员级高
工,主要从事材料试验研究及失效分析工作,发表论文8篇
由表1可看出,该螺栓的化学成分符合CB
联系电话:029-8872714E-mail:gnh_294@163.com
3077-1990合金结构钢技术条件》对3CMo钢的成
收稿日期:2007-12-28
分要求。
《金属热处理》2008年第33卷第4期
万方数据
1.3硬度试验
在失效双头螺栓的断口附近取硬度测试试样,按
照GB231-1984《金属布氏硬度试验方法》要求进行
硬度试验,硬度计型号为HB3000型。试验结果其基
体平均硬度为275~285HB,符合材料在调质热处理
制度下的硬度要求。
1.4金相分析
在断裂源区取金相试样,并取与断口面相垂直的
面为受检面,在JC05金相显微镜上进行金相分析。
图5粗大马氏体组與形貌
试样在未浸蚀前于显微镜下观察,发现样品有两
Fig 5 Coarse lath martensite microstructure x250
处裂纹起始点:其中一条起始于表面,另一条起始于中组织。
心处,两条裂纹向两边扩展;在裂纹附近有过量的球形2试验结果与分析
氧化物夹杂。图4a是焊缝区中主裂纹走向显示,该主2.1螺栓的工作状况及受力情况
裂纹的深宽比较大、无分枝、尖端较锐。
该双头螺栓工作时主要承受沿轴向的交变拉一拉
试样经浸蚀后在显微镜下观察,发现起始于两处载荷,它是在旋紧时使螺栓拉伸从而使其承受拉伸力
的裂纹都呈穿晶分布。图4是焊接热影响区(细晶的,而在被联接件间产生一定大小的夹紧力。
淬火区)中裂纹的扩展形态,其中从上至下第一条裂2.2断口分析
纹为起始于焊缝表面而扩展至马氏体中的焊接裂纹的
据断口分析理论,疲劳贝纹线的中心就是裂纹源,
末端,第二、第三条裂纹为马氏体中的穿晶显微裂纹;从图2可看出,裂纹源恰好就在焊缝处。对源区取样
图4b显示的金相组织为马氏体。由于该区形成了较进行显微观察,发现疲劳源区是由焊缝处表面和次表
多的片状马氏体,而片状马氏体不能通过滑移或李生面的焊接裂纹、显微裂纹、过量氧化物夹杂等构成。该
变形来消除应力,且马氏体在形成时速度相当快,相变断口可划分为疲劳源区(I区)、疫劳裂纹扩展区(Ⅱ
时比容增大致使显微应力増大,故易形成撞击显微裂区)和瞬时断裂区(皿区),见图3所示。裂纹在源区
纹图5是焊接热影响区(过热区)粗大条状马氏体萌生后,在交变应力作用下向Ⅱ区扩展,Ⅱ区紧靠裂纹
源附近,因裂纹忽张忽合,表面因磨损而把疲劳贝纹线
擦下,故只留下擦伤的光亮区。在Ⅱ区可看到贝纹线
以裂纹源为中心向四周扩展,随着疲劳裂纹的扩展,断
口有效截面积减小,当截面上的应力大于材料的抗拉
强度时,即出现瞬时断裂区(Ⅲ区),该区由结晶状断
口组成。
2.3断裂类型分析
在上述宏观分析中,双头螺栓是在轴向交变拉
(b)
拉应力和焊接残余应力作用下所发生的疲劳破坏,且
从断面面积来看,瞬断区面积大于扩展区面积,见图3
所示,从而进一步证明裂纹在扩展过程中受到大应力
的作用,所以该双头螺栓属高应力疲劳断裂。
2.4关于双头螺栓断裂原因的讨论
从断裂双头螺栓的宏观分析来看,螺栓光杄部分
有纵向补焊焊缝,见图1所示,表明该螺栓光杆部分沿
纵向有早期缺陷,生产上没有及时报废,而是采取了补
图4焊缝区主裂纹形貌
焊措施进行补救,这显然不妥。
(a)未浸蚀