六角头螺栓断裂失效分析

塔吊底座固定六角头螺栓，规格为M30×340，性能等级为10.9级、材料为40Cr，表面镀黄锌；在安装2个月后发生断裂。

试验过程与结果

螺栓断裂位置为与杆部结合的第一扣螺纹处，断裂件宏观形貌见图13-80。

图13-80  六角头螺栓断裂件形貌

断裂件断口附近的螺纹部分有明显的塑性变形，见图13-81。

断口凹凸不平，部分区域有锈蚀，断口宏观形貌见图13-82。

图13-81 断裂螺栓螺纹部分宏观形貌             图13-82 断口宏观形貌

在扫描电镜下观察断口，整个断口主要形貌为拉伸韧窝，未发现冶金缺陷和夹杂物，微观形貌如图13-83所示。

                                                                                              图13-83断口微观形貌

螺栓横截面进行硬度检测,硬度检测结果：螺栓近表面硬度为 310～335HV10；心部硬度为 290～295HV10。

取断裂螺栓的剩余部分加工成拉伸试样进行拉伸试验，拉伸试验结果见表13-1

用直读光谱对断裂螺栓进行化学分析，化学成分分析结果表明螺栓材料化学成分符合40Cr的要求，

沿断口纵向截取金相试样，制样后显微镜观察，螺栓的表面组织为回火索氏体组织，表面组织如图13-84所示。

螺栓的心部组织为索氏体＋铁素体，如图13-85所示。

图13-84 近表层金相组织

图13-85心部金相组织  

  分析与讨论

螺栓的化学成分符合要求，通过对断裂螺栓宏观和微观形貌的分析可知，断口附近螺纹有明显的颈缩现象，微观形貌为拉伸韧窝，表明螺栓的断裂是在拉应力作用下的过载断裂。

螺栓的表面部分组织正常，心部组织存在铁素体组织，组铁素体织的存在会引起螺栓机械性能的降低。从螺栓的硬度试验和拉伸试验的检测结果，也反映出螺栓的心部硬度低，拉伸强度值低不合格，主要原因是螺栓的心部组织有较多的铁素体组织。

螺栓心部组织有较多的铁素体的原因是螺栓热处理工艺不当造成。螺栓淬火加热保温时间不够、螺栓淬火冷却速度过慢等原因都会造成螺栓心部有较多的铁素体组织。

螺栓的断裂主要原因是螺栓的拉伸强度低，不能满足安装应力的要求，安装后在实际安装应力的作用下，螺栓发生逐步变形伸长过载断裂。

总结与启示

（1）引起螺栓断裂的根本原因是螺栓的拉伸强度低。由于螺栓的拉伸强度低，不能承受正常的安装应力，在安装应力作用下逐步塑性变形，最后过载断裂。

（2）螺栓的拉伸强度低的原因是螺栓心部有较多的铁素体组织。

（3）螺栓心部有较多铁素体组织的原因是螺栓热处理工艺不当造成。

（4）加强螺栓热处理生产现场的工艺纪律检查，严格执行工艺才能保证产品质量。

（5）加强螺栓的产品质量检查，对螺栓硬度低的要及时进行返修。