螺栓斷裂影響因素與影響機制...

作者：王曉青、夏水華（黃石理工學院黃石 435000）

來源：《起重運輸機械》2010年第11期

摘要：以螺栓斷裂為例，闡明了建立零件級失效影響因素全集的必要性。通過對不同設備227 件斷裂螺栓的分析，發現了螺栓生命期中設計、製造、使用3 個階段和材料對螺栓斷裂的影響因素和發生項次，初步形成了螺栓斷裂影響因素集，為改善螺栓生命期質量創造了條件，為建立零件級失效影響因素全集提供了案例。

    螺栓是常用緊固件，螺栓斷裂輕則必須停機維修，重則造成機毀人亡。螺栓斷裂後簡單地更換並不能完全排除再次斷裂的風險，需要分析致斷因素並加以改進。從個體看，螺栓致斷因素千差萬別，當各類螺栓斷裂樣本數較大時，就能發現一些共性特徵。在集合意義上，存在一個螺栓致斷因素全集，研究這個全集的意義在於建立螺栓生命期質量概念，從設計開始，通過遍歷集合中所有影響螺栓斷裂因素，主動改善螺栓生命過程質量，避免同因復現致斷。為了建立螺栓斷裂影響因素集，搜集了大量來自不同設備的斷裂螺栓信息，通過分析發現了生命期不同階段致斷影響因素。斷裂螺栓樣本來自大型發電設備、壓力容器、採油採礦機械、機車車輛、船舶、飛機、汽車摩託車、工程機械、化肥和水泥生產設備等多種設備，螺栓受載類型和工作環境具有一定代表性。

1 螺栓斷裂影響因素的階段特徵及相關性分析

    螺栓生命期按時序可分為設計、製造、使用與維護、失效等4 個階段，使用中斷裂危害最大。為了避免螺栓斷裂失效，需要了解螺栓生命期及不同階段螺栓斷裂影響因素全集和子集。對227 件螺栓斷裂的影響因素統計分析後得表1 和表2。

    螺栓斷裂可能是單一因素或者多因素組合致斷。表2 數據表明，螺栓斷裂樣本中77. 5%是由使用前因素致斷，而68. 7%的螺栓斷裂與製造相關。

2 螺栓生命期不同階段影響斷裂因素及影響機制

    螺栓生命期影響斷裂因素較多，受篇幅所限，只對影響頻次較高的因素的影響機制進行初步分析。

2. 1 設計階段影響螺栓斷裂的因素與機制

    表3 中數據表明，設計階段對螺栓斷裂影響最大的因素依次是選材不當、螺栓外因、螺栓結構設計、直徑偏小及不同材料引起溫差載荷等，前5 項影響因素佔85 項次，為設計階段影響項次103 的82. 5%。

2. 1. 1 選材不當對螺栓斷裂的影響

    材料選擇是螺栓設計的重要內容。螺栓斷裂樣本中選材不當影響項次見表4。環境與應力腐蝕、材料強度不足或過高、熱處理工藝不適3 項發生47 次，佔58 項次的81. 0%。

( 1) 環境與應力腐蝕對螺栓斷裂的影響

    應力腐蝕是材料在靜應力( 主要是拉應力)和腐蝕的共同作用下產生的失效現象。螺栓在應力和腐蝕介質作用下，表面氧化膜因腐蝕被破壞，破壞的表面和未破壞的表面分別形成陽極和陰極，陽極電流密度很大，進一步腐蝕已破壞表面，加上拉應力作用，破壞處逐漸形成裂紋，裂紋逐漸擴展直到斷裂。

    為防止應力腐蝕，首先應選用抗應力腐蝕能力強的材料，如在含有硫化物高溫水的環境中，應選用含錳量少的鉻鎳奧氏體不鏽鋼。其次應合理設計螺栓結構，降低應力集中。改善腐蝕環境，如在腐蝕介質中加緩蝕劑。採用金屬或非金屬保護層，隔絕腐蝕介質的作用。

( 2) 螺栓材料性能不合對螺栓斷裂的影響材料性能包含多項指標，性能不合是指選擇的螺栓材料與使用環境不合。材料的使用超過其工程能力將導致螺栓斷裂。以某200 MW 機組聯軸器螺栓斷裂為例，聯軸器螺拴原採用35 鋼製造，未進行調質處理、為粗大魏氏組織或帶狀組織，螺栓斷裂後分析認為用它製造聯軸器螺栓並不合適，並用40CrNiMo 鋼替代，提高了螺栓材料的綜合機械性能。但在改用40CrNiMo 鋼時，應注意螺栓和聯軸器材料硬度的配合。

    分析斷裂螺栓時發現，硬度為( 260 ～ 280)HB 的螺栓的微動磨損會造成螺栓孔損壞。如果在使用40CrNiMo 鋼時，為了得到高的疲勞強度而提高螺栓硬度，可能會產生不良後果。因此，在改用前，需要進行機械性能綜合試驗，使螺栓具有低的缺口敏感性、相匹配的硬度和彎曲疲勞強度。

( 3) 強度過高或不足對螺栓斷裂的影響

    強度不足容易引起螺栓斷裂並不難理解，但強度過高與螺栓斷裂的關係則容易被忽視。高強度螺栓不僅增加缺口應力集中的敏感性，而且高強度螺栓還具有氫脆敏感性。一般鋼中含氫量超過5 ppm 會產生氫致裂紋，但對於高強度鋼，即使鋼的氫含量小於1 ppm，在應力作用下，處在點陣間隙中的氫原子會通過擴散集中於缺口所產生的應力集中處，氫原子與位錯交互作用，使位錯線被釘扎住，不能再自由活動，從而使機體變脆。

2. 1. 2 外因影響螺栓斷裂

( 1) 振動對螺栓斷裂的影響

    連接螺栓的振動響應主要取決於連接螺栓的模態特性和被連接件傳遞給螺栓的振動激勵。某變速器與取力器連接螺栓斷裂後，對長螺栓進行的模態測試表明: 在以45 N·m 擰緊力矩預緊條件下，其1 階彎曲模態的固有頻率為1 155 Hz，模態阻尼比為0. 67 。對變速器取力器在發動機工作狀態下進行振動響應測試，結果表明: 傳動系統工作時，長螺栓受到比較明顯的主振頻率1 000 ～1 500 Hz 的振動激勵，其長螺栓的1 階彎曲頻率在此頻帶範圍內，且阻尼比很小，共振放大效應顯著，導致螺栓產生的彎曲共振響應較大，螺紋連接處受到較大的彎曲動應力作用，致使連接螺栓早斷。

( 2) 被連接件剛性不足的影響

    被連接件剛性不足不僅產生振動，還使螺栓受力不均。一船用柴油主機地腳螺栓斷裂相當頻繁。分析結果表明，該主機存在較大振動，特別是垂向振動，因基座一艙底的剛性較差引起。當把主機定位支承的楔形定位塊焊牢後，地腳螺栓再沒有發生斷裂，因其剛性已加強。

    某提升機捲筒殼鋼板兩端與法蘭盤用M22 螺栓連接，捲筒內部沒有加強支環，也沒有周向襯圈，形成沿軸向的簡支梁，剛性較差，工作狀態下捲筒殼中部變形最大，使連接螺栓M18 受力最大致使該處螺栓斷裂，而捲筒兩端靠近法蘭盤的連接螺栓就沒有斷裂。

2. 1. 3 螺栓螺孔結構對螺栓斷裂的影響

    螺栓、螺孔結構中影響螺栓斷裂的主要因素是過渡圓角過小，包括螺紋牙根、螺杆與螺栓頭、退刀槽等處的過渡圓角，不僅產生應力集中，還因過渡圓角小，在熱處理中容易產生較大的內應力，因此出現微裂紋或裂紋傾向，降低螺栓承載能力，外載荷與內應力共同作用使螺栓承受的載荷超過其極限，因此導致螺栓斷裂。

    一東風7B 型機車柴油機主軸承螺栓斷裂，改造後，取消了螺栓中間螺孔，使主軸承螺栓頭部承力面積增加45%，螺紋部位強度大幅度增加。同時，由於取消內螺孔，消除了內孔螺紋結構造成的應力集中，增加了螺栓的抗疲勞強度。

2. 2 製造階段影響螺栓斷裂的因素與機制

    熱處理質量、機加工質量、加工過渡圓角過小、配合與裝配質量、螺栓成型工藝是製造階段影響螺栓斷裂主因，5 項因素發生141 項次，佔158 項次的89. 2%，見表5、表6。

2. 2. 1 熱處理對螺栓斷裂的影響

    熱處理工藝設計與過程質量、氫脆、脫碳與局部過燒、組織不良、高硬度低塑性等為熱處理影響螺栓斷裂主因，佔87 項次的82. 8%。

( 1) 熱處理工藝設計與過程質量對螺栓斷裂影響

    以一例說明熱處理工藝選擇不當對螺栓斷裂的影響。亞共析調質鋼42CrMo 作為螺栓材料，截面尺寸較大( 如≥500 mm) 時，採用常規調質處理工藝要達到0. 9 的屈強比比較困難。為了達到這一目標，就要降低回火溫度，即採用中溫回火或更低溫度回火。這樣，雖然能提高強度，但也使其韌性降低，並在金相組織上留下缺陷( 第2類回火脆性) 。一批螺栓的檢測結果為: 強度高( σb ＞ 1 200 MPa) 、硬度大( HBS ＞ 400) 、金相組織為回火屈氏體，充分證明了這一點。國內外研究表明，鋼的強度愈高，對裂紋的敏感性也愈大，當σb ＞ 1 200 MPa 時，如果韌性不足，很容易導致低應力脆性斷裂。

( 2) 氫脆對螺栓斷裂的影響

    一些連接要求螺栓有較高強度且在腐蝕環境中使用，需要對螺栓做防腐蝕處理，有的防腐蝕工藝如鍍鉻又容易產生氫脆。研究表明，材料強度級別越高，氫脆敏感性越大，裂紋擴展速度也大。由於在各種不同的鋼鐵顯微組織中，對氫脆敏感性從大到小的一般順序為馬氏體、上貝氏體、下貝氏體、索氏體、珠光體、奧氏體，而高強度又是以相應的金相組織為基礎。

    氫脆可分為由內氫和外氫引起的氫脆，內氫是在製造過程中產生，而外氫則是在使用過程中滲入。內氫一般在使用前或使用後較短時間就會使螺栓出現裂紋或斷裂，外氫進入材料內部則需要一個積累過程，使氫逐步達到破壞的含量，因此需要較長時間才能使螺栓發生斷裂。為避免因電鍍而產生氫脆斷裂，建議採用無氫脆塗覆層，如在汽車、航空航天等行業廣泛採用的鋅鉻塗層。

2. 2. 2 機加工質量對螺栓斷裂的影響

    螺栓在製造過程中，因加工不當所形成的皺疊、摺疊、微裂紋等缺陷往往使螺栓螺紋在碾壓或滾壓成型或熱處理過程中引起進一步開裂或擴大，特別是這些缺陷往往分布在螺栓螺紋的根部，螺栓螺紋根部的微裂紋在循環應力或載荷作用下，容易產生應力集中，疲勞源優先在這些缺陷處萌生並形成多源疲勞斷裂。

    某350 MW 燃氣輪機組加熱器螺栓斷口觀察到1 加工條痕，該條痕位於螺杆與螺栓頭部交界處，條痕上有1 較大的腐蝕凹坑，表明該螺栓開裂前存在明顯的縫隙腐蝕。外觀檢驗還發現螺栓光杆表面加工粗糙，這不僅成為應力集中源，還為縫隙腐蝕和應力腐蝕提供了條件。

2. 3 影響螺栓斷裂的材料因素及頻次分析

    斷裂螺栓樣本中，材料對螺栓斷裂影響因素及項次見表7，其中夾雜物、材料質量、冶金缺陷、化學元素含量超標等4 項計次39，佔45 項次的86. 7%。

1) 夾雜物對螺栓斷裂的影響

    當外來夾雜物中的鎂、鈣和材料內部的硫、錳、鉻等元素向晶界偏聚時，導致在局部地區出現晶界脆化，其效果相當於潛在裂紋。而螺栓內部夾雜物尺寸過大，特別是靠近表層附近夾雜物的存在，將促進螺栓疲勞裂紋的萌生和擴展。鋼中MnS 夾雜的帶狀分布還增加氫致開裂的敏感性。

( 2) 供應的材料性能對螺栓斷裂的影響

    在一些使用環境中，僅僅注意螺栓材料強度、硬度這些常規指標顯然不夠，塑性、衝擊韌性、抗腐蝕性、缺口敏感性、室溫與工作溫度下的性能差異等需要綜合考慮。這裡的材料性能不合是指供應的材質與設計要求不合。

    某燃氣輪機組煤氣加熱器螺栓斷裂後，根據螺栓材質的化學成分和金相分析得知，斷裂的螺栓均不是設計規定的304 型不鏽鋼材料，而是幾種不同的不鏽鋼材料重新熔煉後澆鑄而成的，其耐腐蝕性能遠達不到要求，導致螺栓和盲板2 種不鏽鋼之間一開始因電極電位不同產生電偶腐蝕［4］。某汽輪發電機中壓調速汽門法蘭部分斷裂螺栓雖在室溫條件下，力學試驗強度和衝擊韌性項抽檢為合格，但在運行溫度540 ℃下試驗，2 項均有不合格。

( 3) 材料的冶金缺陷對螺栓斷裂的影響

    螺栓材料中疏鬆、氣泡、夾渣和內裂紋的存在使材料的實際許用應力明顯降低。一高強度螺栓斷口的宏、微觀分析表明，當斷裂從裂紋源處起裂之後，斷裂過程以快速、失穩方式進行擴展直至破斷。這是由於材料內部存在很多微裂紋、微孔隙等微觀缺陷，致其實際許用應力降低，這也是裂紋快速失穩擴展的先決條件。這些微裂紋的形成與冶煉時除氣和造渣不徹底、後續鍛造又不能完全消除有關。

2. 4 影響螺栓斷裂的使用因素及頻次分析

    預緊力大小、緊固力不均與緊固方式不當、安裝等問題是使用階段對螺栓斷裂影響的主要因素，這3 項共發生69 次，佔92 次的75. 0%，見表8。

( 1) 預緊力大小對螺栓斷裂的影響

    一卡箍連接密封結構因處於高溫高壓工況，不宜接近，操作工人用長約1 m 的特製扳手對卡箍螺栓用力擰緊，直至擰不動為止，使螺栓預緊載荷已經遠遠超過螺栓的許用應力，管道升壓後螺栓應力進一步增加，最終導致螺栓短時間內發生斷裂。

    連杆的1 組螺栓中，一旦有1 根螺栓預緊力不足，就會在連杆軸頸與軸瓦之間產生很大間隙，此時載荷必然轉移到另一螺栓上，曲軸高速運轉時，該螺栓要承受很大的交變衝擊載荷和彎矩，致其疲勞斷裂，隨後第2 個螺栓過載斷裂。

( 2) 緊固力不均與緊固方式不當

    維修某壓縮機時，維修人員未按設計預緊力大小使用扭力扳手，而是採用大錘擊打呆頭扳手，憑經驗控制預緊力大小，在打錘方便的位置，螺栓預緊力就大一些，打錘不方便的位置，螺栓預緊力則小一些。從壓縮機缸頭螺栓斷裂分布情況看，打錘方便的位置螺栓大都斷裂，這與分析結果相吻合。

3 結束語

( 1) 機械產品生命期質量目標以包括螺栓在內的所有零部件生命期質量實現為前提。建立螺栓斷裂影響因素集是建立零件級生命期質量概念的創新實踐。

( 2) 螺栓生命期質量受多階段多因素影響，建立螺栓斷裂影響因素集，有助於對這些影響因素的統籌和選擇，從而實現螺栓的生命期質量目標。

( 3) 逐步完善螺栓斷裂影響因素集，並籍此補充、修改教材和相關文獻，支持螺栓及機械產品的生命期質量概念的實踐。

參考文獻

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