王奎勇，隨劉杰，胡軼杰

（大慶石化公司a.化工三廠；b.煉油廠，黑龍江 大慶 163714）

0 引言

地腳螺栓是化工機(jī)械設(shè)備中重要的連接件，在化工機(jī)械設(shè)備中屬于邊緣研究范圍，因此往往被忽略，而在實(shí)際化工設(shè)備運(yùn)行中，地腳螺栓的優(yōu)劣對化工設(shè)備的運(yùn)行十分關(guān)鍵［1-2］，是工程安裝中重要的連接方式，具有施工簡單、裝卸方便、疲勞強(qiáng)度高，安全性能優(yōu)良等一系列特點(diǎn)。緊固連接件的斷裂失效可引起大量生產(chǎn)事故，造成極其嚴(yán)重的后果，并造成巨大損失。引起螺栓斷裂失效的原因眾多，許多工程技術(shù)專家對工程實(shí)際中螺栓斷裂失效進(jìn)行了系統(tǒng)的研究：西安化工廠錢家宣等［3］從化工設(shè)備地腳螺栓的設(shè)計(jì)原理出發(fā)，詳細(xì)闡述了化工壓縮機(jī)地腳螺栓設(shè)計(jì)步驟及算例，從理論上對預(yù)防螺栓斷裂進(jìn)行了研究。劉俊偉等［4］對化工用高壓容器斷裂螺栓進(jìn)行了失效分析，研究表明螺栓斷裂的主要原因在于切除螺栓冒口時(shí)余量不足，使螺栓中出現(xiàn)夾雜物，引起疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓在擰緊過程中發(fā)生斷裂。

1 存在的問題

某化工廠使用的大型設(shè)備地腳螺栓抗拉強(qiáng)度不合格，在運(yùn)行過程中發(fā)生了斷裂，為了找到該型螺栓不合格的原因，將合格螺栓與不合格螺栓做拉伸試驗(yàn)進(jìn)行對比研究，螺栓示意圖如圖1 所示，中間豎線為螺栓斷裂位置。該型螺栓主要加工工藝為：冷墩、調(diào)質(zhì)、皂磷化處理。本文主要通過一系列手段對正常斷裂螺栓與異常斷裂螺栓進(jìn)行斷口宏微觀掃描、化學(xué)成分及其含量分析、能譜分析及金相組織分析等，對引起該廠45Mn2 螺栓失效斷裂原因進(jìn)行分析，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了有利的指導(dǎo)意義。

圖1 螺栓尺寸示意圖

2 檢驗(yàn)分析

2.1 化學(xué)成分分析

螺栓原材料化學(xué)成分的不均衡或者元素含量的偏低及偏高都會對螺栓緊固件的力學(xué)性能及疲勞性能等產(chǎn)生顯著地影響，利用SPECTROMETER 光譜分析儀對正常斷裂及異常斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析，正常斷裂、異常斷裂螺栓成分見表1，從表1 中可以看出正常斷裂螺栓與異常斷裂螺栓成分都符合GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中對45Mn2 鋼的要求，因此，可以認(rèn)為化學(xué)成分對螺栓斷裂失效沒有影響。

表1 45Mn2 鋼化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果 %

2.2 顯微硬度分析

金屬材料表面硬度是其綜合力學(xué)性能的重要指標(biāo)，硬度不夠會顯著降低材料的耐磨性能等，所以硬度指標(biāo)在該廠螺栓斷裂失效分析中也被應(yīng)用。取平行于斷裂界面的試樣，磨樣、拋光并從表層到中心測量其顯微硬度。正常斷裂螺栓與異常斷裂螺栓的顯微硬度值如表2 所示，從表2 中可以看出，正常斷裂螺栓和異常斷裂螺栓從表層到中心的維氏顯微硬度都沒有較為明顯的變化規(guī)律，同時(shí)正常斷裂螺栓維氏顯微硬度的平均值比異常斷裂螺栓小一些。但是，無論是正常斷裂螺栓和異常斷裂螺栓，硬度均符合國標(biāo)要求，故該螺栓異常斷裂與其硬度沒有直接聯(lián)系。

表2 顯微硬度值 HV

2.3 斷口形貌

2.3.1 宏觀斷口形貌

利用掃描電子顯微鏡（Scanning Electronic Microscopy-SEM）對正常斷裂與異常斷裂螺栓斷口進(jìn)行掃描分析，從宏觀斷口形貌對兩種斷裂方式螺栓進(jìn)行裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)、裂紋瞬斷區(qū)分析。圖2（a）、2（b）所示為正常斷裂螺栓、異常斷裂螺栓宏觀斷口形貌圖。正常斷裂與異常斷裂螺栓在拉伸過程中均沒有明顯的頸縮現(xiàn)象，所以正常斷裂螺栓與異常斷裂螺栓均呈現(xiàn)典型脆性斷裂特征。從圖中能夠看出，正常斷裂螺栓與異常斷裂螺栓斷裂截面都出現(xiàn)明顯裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)3 個(gè)部分，正常斷裂螺栓疲勞裂紋源位于螺栓次表面，而異常斷裂螺栓裂紋源則出現(xiàn)在螺栓表層，另外，從疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的對比中可以看出，正常斷裂螺栓擴(kuò)展區(qū)較異常斷裂螺栓長，這充分說明了正常斷裂螺栓的疲勞壽命較異常斷裂螺栓長［5－6］。正常斷裂與異常斷裂螺栓瞬斷區(qū)表現(xiàn)為典型的靜載瞬時(shí)特征，并無明顯異同。

圖2 螺栓斷裂截面

2.3.2 微觀斷口形貌

圖3 螺栓斷口微觀形貌圖

取斷口截面進(jìn)行掃描電鏡分析，圖3（a）、3（b）所示為正常斷裂螺栓與異常斷裂螺栓斷裂面掃描電鏡觀察到的微觀圖像，斷口呈現(xiàn)明顯的韌窩形貌，為典型的微孔聚集型斷裂特征，從圖中可以看出，正常斷裂螺栓韌窩等軸韌窩大小較為均勻，大韌窩之間夾雜小韌窩，表明螺栓是經(jīng)過一定的塑性變形后才發(fā)生斷裂。而異常斷裂螺栓韌窩尺寸明顯增大，在大尺寸的韌窩中可以觀察到明顯的夾雜顆粒，充分說明了夾雜顆粒是裂紋行核和擴(kuò)展的有效途徑，同時(shí)，異常斷裂螺栓斷裂面出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象，偏聚的出現(xiàn)可能是拉斷過程中裂紋產(chǎn)生的源頭。圖3（b）所示為夾雜物所在位置，圖4為夾雜物能譜分析圖，表3為其對應(yīng)的元素分析表，從表中可以看出夾雜物中主要元素為O、Si，并存在少量的Mg、Al、Ca 元素，其中O 元素的含量很大，故其雜物主要為SiO2，存在少量的MgO、Al2O3、CaO2。夾雜物在螺栓材料中含量雖然不多，但對產(chǎn)品的質(zhì)量卻有重要的影響，這些夾雜物不僅能夠削弱鋼的強(qiáng)度及延展性，而且某些夾雜物的存在能夠明顯降低材料的斷面收縮率。夾雜物作為獨(dú)立相存在于鋼中，極大地破壞了材料的連續(xù)性，也使得組織內(nèi)部的不均勻性增大［7－8］。

圖4 夾雜物能譜分析圖

表3 夾雜物元素分析表%

2.4 金相組織分析

取平行于斷裂截面的試樣，打磨、拋光并觀察其組織形貌。圖4 所示為正常斷裂與異常斷裂螺栓試樣斷口剖面金相組織圖，從金相圖可以看出，兩種斷裂方式金相圖無明顯差異，靠近螺栓外表面部分主要為板條狀馬氏體組織分布，芯部組織主要為珠光體及少量不明顯分布的網(wǎng)狀鐵素體及少許呈塊狀分布的鐵素體組織，正常斷裂與異常斷裂螺栓斷口金相組織晶粒分布不均勻，在鐵素體之間有少量魏氏體析出，另外，螺栓斷裂處存在輕微滲碳層，深度約為0.2 mm。

圖5 螺栓金相組織

3 結(jié)論

通過對化工機(jī)械設(shè)備斷裂地腳螺栓進(jìn)行一系列宏觀力學(xué)性能與微觀組織分析、化學(xué)成分分析、金相組織分析及顯微硬度分析等，對異常斷裂螺栓進(jìn)行失效分析后得出了以下結(jié)論：1）螺栓原材料成分符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織與其所使用熱處理工藝正常組織一致，材料的硬度也達(dá)到了國標(biāo)要求，充分說明了化學(xué)成分及材料硬度均不是螺栓斷裂的主要原因；2）金相組織分析表明，正常斷裂與異常斷裂螺栓的斷口金相組織晶粒分布不均勻，在鐵素體之間有少量魏氏體析出，另外，螺栓斷裂處存在輕微滲碳層；3）該化工設(shè)備地腳螺栓異常斷裂的原因主要在于失效螺栓組織內(nèi)部存在SiO2等夾雜物，該夾雜物的存在從一定程度上降低了螺栓的抗拉強(qiáng)度，另外，夾雜物有利于裂紋源的形成，能夠降低螺栓的疲勞強(qiáng)度。

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