35CrMo钢螺栓断裂原因分析

赵 强 曹佳丽 丁景焕 徐亚楠 李 博

(1.国网新源控股有限公司技术中心，北京 100161；2.国网新源控股有限公司回龙分公司，河南南阳 473000)

35CrMo钢螺栓断裂原因分析

赵 强1曹佳丽1丁景焕1徐亚楠1李 博2

(1.国网新源控股有限公司技术中心，北京 100161；2.国网新源控股有限公司回龙分公司，河南南阳 473000)

35CrMo钢螺栓在使用中发生断裂。为了揭示螺栓断裂的原因，对断裂的螺栓进行了化学成分分析、显微组织检验和力学性能测定。结果表明，螺栓的化学成分、显微组织、氢含量以及夹杂物含量均符合要求，拉伸性能偏低。由断裂螺栓的断口分析发现，大部分螺栓都存在疲劳裂纹，疲劳裂纹均起源于螺纹根部，裂纹端部应力集中是螺栓发生断裂的原因，与偏低的拉伸性能无关。此外，螺纹根部的机加工缺陷也是裂纹源，在周期应力的作用下导致螺栓疲劳断裂。

35CrMo钢螺栓 断裂 疲劳 应力集中

统计分析表明，在静载荷下，除非严重过载，螺栓连接是很少发生破断的。就破坏的性质而言，约有90%的螺栓属于疲劳破坏，而且疲劳断裂常发生在螺纹根部，即截面积较小并有缺口易产生应力集中的部位(约占85%)，有时也发生在螺栓头与杆的交接处(约占15%)[1]。

某抽水蓄能电站的顶盖和座环采用圆周方向均布的50个35CrMo钢双头螺栓刚性连接，螺栓承受水轮机运行、水泵运行、水泵零流量、水轮机紧急关机(转轮飞逸)等4种交变载荷。螺栓锻造后进行了调质处理，要求屈服强度≥735 MPa，抗拉强度≥882 MPa。螺栓精机加工后进行无损检测。螺栓的结构如图1所示。

在某次机组水轮机紧急关机(转轮飞逸)时，螺栓因故断裂，顶盖抬起。螺栓断裂高度基本一致，50件螺栓中仅1件未断，发生脱扣，2件发生轻微缩颈，4件发生较为明显的缩颈，其余43件断口比较平整。

1 理化分析

取2件断裂螺栓，编号为1号和2号，如图2所示。另取1件已经使用1年的完整螺栓以及1件未经使用的备品螺栓，分别编号为3号和4号。分析和检测4件螺栓的成分、力学性能、组织、氢含量和断口，并对3号和4号螺栓进行磁粉探伤，以确认是否存在机加工缺陷。

图1 螺栓的结构图Fig.1 Detail drawing of the bolt

图2 断裂螺栓外观Fig.2 Appearance of the fractured bolts

1.1 磁粉探伤

参照NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测》，对图3中箭头所指部位进行磁粉探伤，检测设备为CYE- 2A，磁化方法为电磁轭磁化和穿棒法，磁粉为黑磁膏配置磁悬液。磁粉探伤表明，3号和4号螺栓指定区域表面无缺陷磁痕。

图3 完整螺栓的外观及检测部位Fig.3 Appearances of the undamaged bolts and its examined places

根据GB/T 4336—2002分析螺栓的化学成分，结果见表1。表中还列出了GB/T 3077—2015中35CrMo钢的化学成分，可见螺栓的化学成分符合要求。

1.2 力学性能

沿螺栓纵向切取棒状拉伸试样，根据GB/T 228.1—2010进行室温拉伸试验，并取10 mm×10 mm×55 mm的试样，按GB/T 229—2007进行冲击试验，结果见表2。表中同时列出了GB/T 3077—2015中35CrMo钢的力学性能指标。可见，螺栓的抗拉强度与标准值接近，屈服强度大多低于标准值，冲击性能符合要求。

表1 螺栓的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the bolts (mass fraction) %

表2 螺栓的力学性能Table 2 Mechanical properties of the bolts

1.3 氢含量

从螺栓上切取棒状试样，并根据GB/T 223.82—2007分析材料中的氢含量，结果列于表3。可见，螺栓的氢含量较低，均≤0.5×10- 6，因此可以排除氢脆引起的断裂[2]。

表3 螺栓的氢含量(质量分数)Table 3 Hydrogen content in the bolts (mass fraction) %

1.4 显微组织

按照GB/T 6394—2002《金属平均晶粒度测定方法》评定螺栓的平均晶粒度，按照GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定方法》评定螺栓的夹杂物，结果见表4。可见，螺栓的晶粒较细小，非金属夹杂物含量也符合要求。

表4 螺栓的非金属夹杂物含量和晶粒度Table 4 Non- metallic inclusion contents and grain size of the bolts

在1号和2号螺纹根部取垂直于断口的试样，在3号和4号螺纹段取横向试样(位置如图3所示)，其显微组织如图4所示，均为回火索氏体、贝氏体和少量铁素体。35CrMo钢是亚共析钢，调质处理可以获得良好的综合性能[3]。4件螺栓的显微组织均符合要求。

图4 螺栓的显微组织Fig.4 Microstructure of the bolt

1.5 断口分析

螺栓断口的宏观形貌如图5所示，螺栓的断口均与轴向垂直。断口为典型的疲劳断口形貌[4- 5]，分为两部分：平坦的边缘开裂区和表面高度起伏较大的后断区，二者色差较大，可见清晰的分界线。前者呈黑色，表面比较细密平滑；后者呈红褐色，面积很大，约占总断口面积的 90%以上。断口花样呈放射状，为快速扩展的后断区。可以推断，裂纹由表面向内扩展较短的距离后停滞了较长时间，而后突然在较大的应力作用下快速断裂。裂纹扩展方向如图5中箭头所示。

图5 螺栓断口的宏观形貌Fig.5 Macrographs of the bolt fracture

从裂纹源区切取断口试样，经表面除油、超声波清洗和吹干后，在扫描电镜上观察断口的微观形貌，疲劳源区宽度约为3 mm，如图6所示。

图6 螺栓断口的疲劳裂纹形貌Fig.6 Fatigue cracks on the fracture of bolt

疲劳源位于螺纹根部，与35CrMo钢的微动疲劳相同[6]，疲劳为多源起裂，随着裂纹的扩展，裂纹源的裂纹合并；近疲劳源区的疲劳弧线较细密(裂纹扩展较慢)，远疲劳源区疲劳弧线较稀疏(裂纹扩展较快)，如图7所示。

图7 螺栓断口(a)近疲劳源区和(b)疲劳裂纹扩展区的疲劳弧线Fig.7 Fatigue curves in (a) area near fatigue source and (b) fatigue crack propagation area on the fracture of bolt

后断的失稳扩展断口以解理和准解理断裂为主，如图8所示。相邻解理面之间为撕裂棱，局部区域可见细小韧窝。疲劳扩展和后断区的断口上均未见异常的非金属夹杂物等冶金缺陷。可见，疲劳裂纹的生成扩展与材料缺陷无关。

对断裂后的35支螺栓进行断口观察，发现其中21支存在疲劳裂纹，发生疲劳的螺栓数量占送检螺栓数量的3/5，疲劳裂纹均起源于螺纹根部，其宽度如图9所示。可见疲劳裂纹形成的尖端应力集中是螺栓发生断裂的原因。

图8 螺栓解理和准解理断口形貌及韧窝形貌Fig.8 Morphologies of cleavage fracture, quasi- cleavage fracture and dimples for the bolt

图9 螺栓中疲劳裂纹的宽度Fig.9 Widths of fatigue crack in the bolts

螺栓为多缺口零件，缺口敏感性强，缺口部位的缺陷会大大降低疲劳强度[7]。疲劳源区所在的螺纹根部表面存在环向机加工刀痕和不规则的舌状缺陷，如图10所示。螺纹根部的加工缺陷也容易成为裂纹源，在周期应力作用下易使螺纹根部产生应力集中，导致螺栓断裂。

2 结论

(1)断裂35CrMo钢螺栓的化学成分、氢含量、显微组织、夹杂物含量等均符合要求。尽管个别螺栓力学性能指标偏低，但不是螺栓断裂的原因。

(2)大部分螺栓在断裂前已经存在深度不同的疲劳裂纹，疲劳裂纹的生成和扩展与材料缺陷无关。疲劳裂纹均起源于螺纹根部，疲劳裂纹形成的尖端应力集中是螺栓断裂的原因。

图10 螺栓疲劳源区的机加工缺陷及舌状花样Fig.10 Machining defects and tongue- shaped pattern in fatigue source area of the bolt

(3)螺纹根部的机加工缺陷也容易成为裂纹源，在周期应力作用下易使螺纹根部产生应力集中而导致螺栓断裂。

[1] 濮良贵，陈国定，吴立言. 机械设计[M]. 北京:高等教育出版社，2013.

[2] 唐文忠. 35CrMo 钢螺栓断裂原因分析[J]. 金属制品, 2015,41(4): 62- 64.

[3] 朱红波，孙立强，王迪.调质处理对35CrMo钢组织和性能的影响[J].机械工程自动化, 2016,195(4):136- 137.

[4] 廖景娱. 金属构件失效分析[M]. 北京:化学工业出版社，2003．

[5] 钟群鹏，赵子华．断口学[M]．北京:高等教育出版社，2006．

[6] 杨洋，何国球，卢棋，等.圆形路径载荷下35CrMoA钢的微动疲劳失效特性[J]. 上海金属，2015, 37(2)：1- 6.

[7] 温爱玲，路文娟，王生武. 35CrMo螺栓断裂分析[J]. 理化检验- 物理分册,2014,50(9)：674- 676.

收修改稿日期：2017- 06- 07

AnalysisonFractureof35CrMoSteelBolts

Zhao Qiang1Cao Jiali1Ding Jinghuan1Xu Yanan1Li Bo2

(1. Technology Center of State Grid Xinyuan Co.,Ltd., Beijing 100161, China; 2. Huilong Branch Company, State Grid Xinyuan Company, Nanyang Henan 47300, China)

35CrMo steel bolts fractured in service. The fractured bolts were subjected to chemical composition analysis, microstructural survey, and mechanical property measurements to reveal the reason why the bolts fractured. The results indicated that the chemical composition, microstructure, hydrogen and inclusion contents of the bolts came up to the mark, and that their tensile properties were on the low side. From fracture analysis of the failed bolts it was seen that fatigue cracks that originated from the thread root were present in most of the fractured bolts, which brought about the bolt failure because of stress concentration in crack end, regardless of the lower tensile properties. In addition, machining defect in the thread root also was a crack source that resulted in fatigue failure of the bolts by the action of a cyclic stress.

35CrMo steel bolt, fracture, fatigue, stress concentration

赵强，男，硕士，高级工程师，主要从事耐热钢性能及水电用钢性能及焊接研究，Email：40420399@qq.com