40ACr高強螺栓斷裂失效分析

       某公司用于固定電機的M16高強螺栓在服役7年后發生斷裂，斷裂螺栓的安裝位置如圖1所示。該高強螺栓的材料為40ACr鋼，性能等級為8.8級。斷裂后重新拼接的螺栓形貌如圖2所示。為查明該高強螺栓斷裂的原因，預防類似失效事故再次發生，深圳市特種設備安全檢驗研究院的吳繼權等對該斷裂螺栓進行了失效分析。

圖1 斷裂螺栓的安裝位置


圖2 斷裂螺栓的宏觀形貌

        由理化檢驗結果可知，斷裂螺栓的化學成分符合該類產品基本的技術要求；脫碳層深度幾乎占到整個外螺紋的牙型高度，不符合GB/T 3098.1-2010對8.8級高強度螺栓的相關技術要求；在橫截面顯微組織中靠近外表層有大塊狀鐵素體以及魏氏組織存在，均表明螺栓在生產過程中組織有過熱現象；脫碳層過渡區域中有網絡狀鐵素體，嚴重割裂了基體的連續性，使螺栓的強度降低。高強度螺栓在熱處理過程中如冷速較慢，先共析鐵素體會沿晶析出，呈網絡狀分布。

        脫碳層的存在會降低鋼的耐磨性和抗疲勞性能。由于脫碳處抗疲勞性能很低，在使用過程中很容易在脫碳表層應力集中處萌生疲勞裂紋源，這與同螺帽聯接處的失效螺栓橫截面顯微組織中表層有多處裂紋以及斷口分析中發現的貝殼狀條紋曲率中心靠近螺紋根部相吻合。

        發生斷裂的螺栓用于固定懸空放置的主電機，其安裝位置如圖1所示，整個結構設計不合理，重心偏向主電機所在一側；同時，主電機及傳送帶運行過程中難免會發生振動，造成螺栓所承受載荷的性質為振動載荷。表層裂紋在振動載荷的持續作用下不斷向內擴展，最終造成螺栓斷裂。

        顯微硬度試驗結果顯示，螺栓表面最外層的硬度略高于次表層的硬度，一方面可能是由于螺栓在生產過程中對其表面進行過特殊處理；另一方面也可能是螺栓在預緊及服役過程中外表層發生塑性變形，進而出現加工硬化現象所致。