阎振中:港机螺栓断裂之谜

发布时间:2018-04-20
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| 核心提示: 本文介绍了龙门桥吊在运输到美国休斯顿港口途中,连接螺栓接二连三发生断裂;经过一系列检测及失效分析,找出断裂的原因。
  摘 要

  本文介绍了龙门桥吊在运输到美国休斯顿港口途中,连接螺栓接二连三发生断裂;经过一系列检测及失效分析,找出断裂的原因:

  首先,先天不足,原材料没有达到相应的技术要求;

  其次,热处理调整工艺多个环节产生严重的偏差与缺陷;

  二者叠加后,受到外力,先后有许多连接螺栓断裂,危及到桥吊安全,事故最终造成严重的不良影响。

  【关键词】桥吊螺栓,带状组织,调质表面增碳,非马组织,螺栓开裂


  一、前言

  该事件发生在2005 年,断裂螺栓是振华港机出口到美国休斯顿港口的龙门桥吊,在运往美国的运输途中,发现桥吊上有部分螺栓断裂掉落下来的现象,到达目的地后,发现船仓中,有六、七十个断裂的螺栓;在搬运到位,吊机安装过程中,又发现有一些螺栓掉落下来,一台桥吊发生一百多个螺栓断裂掉落,大约占到连接螺栓总量的20%左右,存在严重的隐患,严重地危及到桥吊使用安全性。

  根据双方人员检测、核实、监督、讨论;一致认为是螺栓质量不达到标,危及到整机运行的安全问题,为了安全运行,决定更换钢结构平台的全部连接螺栓。双方鉴定、装卸、更换螺栓总共花费三十万美金,其中人工费占全部费用的三分之二以上,同时,造成不可挽回的不良影响。底特公司要接盘供货,必须解开螺栓断裂之谜!

  二、产品状况

这批高强度螺栓是依据美国紧固件标准A490M 生产的,等级为10.9 级,材料为35CrMo,规格为M30,表面状态:达克罗。

在龙门桥吊设备运输途中、安装就位的过程中发生断裂。断裂部位于杆部、头部或螺纹部分,见下面图1、2、3。1 号螺栓断裂部位在杆部;2、3 号螺栓断裂部位在螺纹区域,4 号螺栓断裂发生在头杆的连接部;从断裂螺栓的各种状态来看,说明断裂形态呈现多样性。



  三、各项检测及分析

  1、宏观断口:

  螺栓的断裂,在抵达休斯顿港后,船仓中取得。由于运输途中及断裂螺栓的样品返回的时间比较长,断口没有受到有效的保护,腐蚀比较严重,为断口的宏观分析带来一定的难度,但是,经过认真、仔细地清理样品,还是保留了一些螺栓的基本信息,图片如下:


  从图片可以初步看出:以上螺栓断口平面比较平整、表面粗糙、呈现萘状断口,均属脆性断裂,没有明显可见的疲劳纹。裂纹源区位于断口的外周边,周边存在众多的台阶花样,表明断裂起始位置属多源性。

  2、微观断口

  断口腐蚀严重,扫描镜所摄的断口形貌并不十分清晰可靠,图片如下:


  3个螺栓样品的断口均未见明显的韧窝,1 号螺栓存在准解理断裂迹象;2 号螺栓断口存在较多夹杂物残留痕迹;3 号螺栓可见晶粒之间存在微裂纹;4 号螺栓晶粒粗大,裂缝呈现沿晶界开裂走向。

  3、硬度分析:

  (1)洛氏硬度:

  螺栓标准硬度范围为33 ~ 39HRC,将螺栓横向截开,从芯部至边缘按间距3mm 进行硬度分布检测,检测结果如下表1:


  从洛氏硬度来看,1 号、2 号螺栓均属标准数值范围内;3 号螺栓在标准值下限附近,有些区域低于技术标准;4 号螺栓硬度数值超过10.9 级的技术要求。

  (2)显微硬度测试:

  对1、2、3、4 号螺栓表面硬度与芯部硬度进行显微硬度测试,结果如下表2:


  显微硬度检测结果发现:1、2、3、4 号螺栓表面硬度与芯部硬度相差100 个左右的维氏硬度值,硬度分布不均匀,表面硬度明显比芯部硬度高,表面硬度全部高于10.9 级螺栓上差Hv390 标准,说明表面存在增碳现象,佐证了表面脆性增加,增加了螺栓断裂的可能性。

  4、化学成份

  35CrMo 的标准化学成份为:C 0.32 ~ 0.40、Si 0.17 ~ 0.37、Mn 0.40 ~ 0.70、 Cr 0.80 ~ 1.10、Mo 0.15 ~ 0.25,经分析化学成份如下表3:


  经过光谱分析,1、2、3、4 号化学元素的成份存在微小的差别,但是均属标准范围。材料符合技术规范。

  5、拉力试验

  螺栓拉力标准范围为583 ~ 679kN,1、2、4 号样品剩余的余量过短,这里未能进行最大拉力测试,3 号样测试结果为629.5kN,属标准范围。

  6、调质后的金相组织:

  横切后对样品金相组织进行观察,照片如下图:


  金相图片初步分析:

  (1)图10 中1 号样金相组织中:左芯部,存在大块铁素体,和淬火冷却形成的索氏体组织;右边缘的组织,马氏体针叶粗大,并且铁素体组织分布广泛,部分区域铁素体粗大。

  (2)图11 中2 号样金相组织,左芯部组织,比对1 号样,略微好一些,但是,同样存在分布不均匀的铁素体组织,并且广泛存在于组织中;右边缘部分金相组织,马氏体组织粗大,存在大块铁素体组织。

  (3)图12 中3 号样金相组织:左芯部,存在典型的羽毛状组织——上贝氏体组织,说明冷却过程中存在400—500℃局部恒温区间,这可能是冷却时螺栓入浴产生叠加的原因;右边缘组织,粗针的马氏体组织。

  (4)图13 中4 号螺栓组织晶粒粗大,晶界周围存在网状铁素体,晶粒之间存在明显的微裂纹,通常由热处理过程中保温时间过长,温度过高所致。

  (5)从以上金相图片来看,不是正常调质组织所需要的组织状态,从中可以判断,热处理工艺出现了异常。

  7、带状组织:

  纵切后对样品进行金相组织观察,照片如下:


  从图14 中1 号样品的低倍组织金相可以看出螺栓调质后明显存在带状组织,严重影响了产品的组织均匀性,条带状件区域是薄弱环节,影响了产品机械性能;为了进一步观察材料原始组织,又做1 号样退火后金相组织,从图15 中可以看出,恢复材料的原貌后,带状组织更加显而易见、偏析更加严重。

  为了了解分析带状组织,我们又进行了能谱分析,见图16、图17。


  从上面图16—图18 中可以看出:

  (1)图16、图17 材料的分布不均匀,带状组织中铁素体、珠光体条带组织能量差异明显,组织中波峰、谷底差异大,反映能谱数值相差大;

  铁素体、珠光体材料分布极其不均匀,从图18 的一号样带状组织的能谱分析中可以看出带状组织中铁素体、珠光体中元素分配差距很大,Mn、Si、Mo 元素存在一些差距,特别是Mo 元素的分布相差六倍多;使铁素体区域的机械性能变得更加薄弱。

  8、表面状态

  从金相状态中可以看出表面状态:

  (1) 图19 可以看出一号样表面存在裂纹,而且表面组织渗碳痕迹明显,组织分布不均匀,并且表面存在大块铁素体组织;

  (2)为了进一步观察增碳状况,又做了高倍金相,从图20 看出4 号样表面存在增碳层,与上面第3 部分硬度测试中,螺栓的表面硬度比芯部硬度高出芯部硬度100 多个维氏硬度值,存在对应关系,说明硬度差异是表面增碳引起的。

  (3)检测分析:

  由于缺乏相应的炉号或批号,螺栓之间并没有太大的可比性,但是从试样的测试来看,存在以下问题:
  
  1、从硬度来看,首先从洛氏硬度检测:1 号断裂螺栓硬度在下差范围,芯部硬度没有达到技术要求;2、3 号断裂螺栓达到了硬度要求;4 号螺栓已经超过10.9 级标准的上差,螺栓离散度极大,这批螺栓硬度分布不均匀。

  其次,显微硬度检测结果发现1、2、3 号螺栓表面硬度与芯部硬度相差100 多个维氏硬度值,说明表面有明显的增碳现象;同时1、2、3 号螺栓表面硬度全部超过HV390, 超过了10.9 级的上限,增加了螺栓的脆性及开裂的可能性。

  上面硬度差异说明:热处理调质在加热过程存在严重缺陷;碳势过高,表面出现渗碳现象。

  2、金相组织中可以看出:调质后组织晶粒均显粗大,1、2、3号螺栓横截组织晶粒均显粗大,存在淬火索氏体、上贝氏体等非马氏体组织,没有达到调质处理的要求。这些非马氏体组织的出现,是热处理过程中淬火冷却不当、冷却速度过缓所造成的。

  3、螺栓表面增碳、并且存在表面裂纹,1、2、3 号螺栓表面均增碳,增碳使螺栓表面硬脆,塑性降低,降低螺栓抗疲劳强度及冷热疲劳抗力。结合断裂源的特点,断裂起源于表面硬化层。

  4、从螺栓纵截组织来看存在明显的带状偏析,带状组织造成了钢的各向异性,降低了力学性能(严重时横向力学性能可能只有纵向性能的一半)、切削性能、塑性成形性能和淬透性,淬火后易形成混晶组织和非马氏体组织,使零件淬火变形倾向增大,强韧性降低。采用常规热处理的退火、正火、淬火中,虽然能够缓解带状组织偏析状况,但是不能消除带状组织及组织中合金元素的偏析;在重新加热缓冷时又会恢复带状组织原样。

  四、结论

  综上所述,螺栓断裂是由于:前提,材料没有达到技术要求(原材料偏析+合金元素分布差异);主要原因是螺栓调质工艺存在严重的偏差(淬火加热、碳势控制+冷却速度缓慢)。

  注明:
  1、*1、*2、*3 上面图二十五来自上海机械制造工艺研究所铸缎热检测中心,报告编号:J200629。
  2、其他图片及检测报告来自海盐国家紧固件质量监督检测中心。

  作者: 阎振中,金蜘蛛紧固件网顾问专家
  本文原刊登于第50期金蜘蛛《紧固件》季刊

 
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  (来源:金蜘蛛紧固件网)
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