40ACr高强螺栓断裂失效分析

       某公司用于固定电机的M16高强螺栓在服役7年后发生断裂，断裂螺栓的安装位置如图1所示。该高强螺栓的材料为40ACr钢，性能等级为8.8级。断裂后重新拼接的螺栓形貌如图2所示。为查明该高强螺栓断裂的原因，预防类似失效事故再次发生，深圳市特种设备安全检验研究院的吴继权等对该断裂螺栓进行了失效分析。

图1 断裂螺栓的安装位置


图2 断裂螺栓的宏观形貌

        由理化检验结果可知，断裂螺栓的化学成分符合该类产品基本的技术要求；脱碳层深度几乎占到整个外螺纹的牙型高度，不符合GB/T 3098.1-2010对8.8级高强度螺栓的相关技术要求；在横截面显微组织中靠近外表层有大块状铁素体以及魏氏组织存在，均表明螺栓在生产过程中组织有过热现象；脱碳层过渡区域中有网络状铁素体，严重割裂了基体的连续性，使螺栓的强度降低。高强度螺栓在热处理过程中如冷速较慢，先共析铁素体会沿晶析出，呈网络状分布。

        脱碳层的存在会降低钢的耐磨性和抗疲劳性能。由于脱碳处抗疲劳性能很低，在使用过程中很容易在脱碳表层应力集中处萌生疲劳裂纹源，这与同螺帽联接处的失效螺栓横截面显微组织中表层有多处裂纹以及断口分析中发现的贝壳状条纹曲率中心靠近螺纹根部相吻合。

        发生断裂的螺栓用于固定悬空放置的主电机，其安装位置如图1所示，整个结构设计不合理，重心偏向主电机所在一侧；同时，主电机及传送带运行过程中难免会发生振动，造成螺栓所承受载荷的性质为振动载荷。表层裂纹在振动载荷的持续作用下不断向内扩展，最终造成螺栓断裂。

        显微硬度试验结果显示，螺栓表面最外层的硬度略高于次表层的硬度，一方面可能是由于螺栓在生产过程中对其表面进行过特殊处理；另一方面也可能是螺栓在预紧及服役过程中外表层发生塑性变形，进而出现加工硬化现象所致。