一、 事故概况
2004年2月28日下午3点30分，抚顺市某建筑公司一台QTK—40塔式起重机（以下简称“塔机 ”）在冬季停工3个月未开工使用的情况下，在回转支承上方，驾驶室下方小节处的连接螺栓发生突然断裂，致使塔机平衡臂下坠，起重臂上扬，造成塔机失重，将回转塔身连接套焊接母材撕裂，塔机上回转部分翻转180度，从60米高处整体坠落，造成一死一伤及塔机报废的严重事故。针对这起事故，抚顺市质量监督局及相关单位组成事故调查组对现场，相关人员，塔机制造单位及螺栓制造单位进行了全面调查，并请求辽宁石油化工大学的有关专家一起对断裂螺栓的材质、制造工艺、工作条件及断口形貌进行全面分析，找出螺栓断裂的原因。
a断裂螺栓的尺寸
b断裂螺栓的形貌
图1 断裂螺栓的形貌及尺寸的测量
二、 断裂螺栓外观及尺寸的检查
对QTK¬¬—40塔机断裂的35CrMo钢螺栓的外观及尺寸检查的结果如图1所示。由图可见，螺栓螺杆部位的直径为Φ27mm，螺纹部分的直径为Φ26.6mm，断裂部位的直径为Φ26.88mm螺栓的断裂部位不在过渡园角处，而是在距离螺栓六角头支承面为2.16mm螺杆处。螺栓的螺杆、园角、支承面的表面上留有较深的切削加工刀痕。
三、 断裂螺栓的材质、制造工艺及工作条件
QTK40塔机断裂螺栓的材质为35CrMo优质合金结构钢，螺栓的制造工艺路线应该是：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→酸洗→中和→钝化。螺栓化学成分和机械性能应符合GB3077-88标准（表1、表2）的规定。而该断裂螺栓实际制造工艺路线是：下料→毛胚局部加热后镦粗锻制六角头→粗加工→调质→酸洗电解→镀锌→中和→ 钝化，显然该螺栓的制造工艺路线是不合理的。螺栓应该进行整体锻造；锻造后应该进行正火处理，以细化晶粒，改善切削加工性能并为调质处理做好组织上的准备，然后才能进行粗加工及调质处理；调质处理后的螺栓还应进行精加工，以消除螺栓表面由于粗加工而留下的切削加工刀痕等，以提高螺栓表面的光洁度和尺寸精度。
该螺栓时在空气环境下工作的，螺栓在工作过程中承受着一个交变单向拉压载荷。
表1 35CrMo合金结构钢的化学成分
表2 35CrMo合金结构钢的机械性能
四、断裂螺栓的材质和性能的检验
4.1化学分析
对QTK40塔机断裂螺栓的材质化学成分进行了分析，其结果如图表3所示。由表可知，断裂螺栓的材质为35CrMo合金结构钢，在其化学成分中除含碳、铬量略高于标准规定值外，其他元素的含量均符合标准规定值。
表3 断裂的35CrMo螺栓的化学成分
4.2机械性能检验
从QTK40塔机断裂的35CrMo螺栓上切取纵向试样，经机械加工成光滑的圆柱试样和冲击试样，测定其常温时的机械性能指标，测定结果如表4所示，由表可见，由于断裂的35CrM o钢螺栓淬火温度高于标准规定的淬火温度，回火温度低于标准规定的回火温度，因此它的机械常温性能指标值均高于标准规定值。
表4 断裂的35CrMo钢螺栓的机械性能
4.3、金相检验
从QTK40塔机断裂的35CrMo螺栓螺杆断口附近切取横向试样，经磨样、抛光、侵蚀制成金相试样，对其显微组织进行检验。
图2断裂的35CrMo钢螺栓材质中的非金属夹杂物×100
4.3.1非金属夹杂物
检验结果如图2所示。断裂螺栓断口附近材质中的非金属夹杂物主要为脆性的铝硅盐酸和铬尖晶石型的复杂氧化物。硅酸盐呈细小的灰色的圆球状，均匀地分散分布，其级别为4级。两者之和为7级，夹杂物超标，不符合两者之和不得超过5.5级的标准规定值。
4.3.2、晶粒度
检验结果如图3所示。断裂螺栓断口附近材质的实际晶粒较粗，晶粒大小均匀，其晶粒度为5级。由于断裂螺栓是在常温条件下工作故其实际晶粒度虽然较粗，但仍符合在常温下工作的钢材晶粒度的要求。
图3 断裂的35CrMo钢螺栓断口附近材质的晶粒度×100
4.3.3显微组织
断裂的QTK40塔机螺栓用35CrMo钢制造的，并在调质状态下使用的，螺栓经调质处理后，从表面到心部其正常的显微组织，应为细小而均匀的回火索氏体组织。对断裂螺栓断口附近材质显微组织检验的结果如图4所示。由图可见，断裂螺栓断口附近材质的显微组织从表面到心部均为粗大而均匀的回火索氏体组织。
图4 断裂的35CrMo钢螺栓断口附近材质的显微组织×500
五、 断裂螺栓的断口
断裂的35CrMo钢螺栓断口的宏观形状如图5所示。由图可见，断裂螺栓断口的宏观形貌为疲劳断裂断口，断口与螺栓的轴线成90度，断口表面比较平滑的细瓷状特征，没有明显的塑性变形的迹象，故属于脆性断裂。断口从宏观上明显地分为三个区域：疲劳裂纹的起始区、疲劳裂纹的扩展区、瞬时断裂区。
1. 疲劳裂纹的起始区：即疲劳源区。疲劳源区在整个疲劳断口中所占的比例很小。在螺栓宏观断口表面上疲劳源区的疲劳源则为疲劳弧带曲率的中心点。由 于宏观断口表面的起始疲劳弧带较为平直，因此可以推断在疲劳源区有多个疲劳源。这些疲劳源则起源于螺栓表面的应力集中处如切削加工刀痕和非金属夹杂物处。综上所述，可以判定螺栓断裂时断口表面处的应力集中则为应力集中，在沿线应力集中线上则分布有多个疲劳源。疲劳源区断口表面光泽比较亮，断口的粗糙程度比较小，疲劳源外侧的棱边比较钝。
2. 疲劳裂纹的扩展区：在交变载荷的作用下，疲劳裂纹有疲劳源区逐渐向螺栓内部扩展而形成的一个平滑区。该区的断口表面比较平整光滑，呈细瓷状的特征。同时在断口上还可以看到较明显的相互平行由疲劳源区开始向前推进的疲劳弧带。在疲劳裂纹扩散区的宏观断口上出现的疲劳弧带是辨认疲劳断裂的最重要特征。断口上出现的疲劳弧带，是由于螺栓在间歇使用时，裂纹扩展因受阻而暂时停歇，或在使用过程中应力幅发生显著变化，而在断口上留下来的痕迹。疲劳裂纹扩展区在整个疲劳断口中所占的比例很大，这说明螺栓的断裂是在交变单向拉压载荷作用下引起的疲劳脆性断裂。
图5 断裂的断裂的35CrMo钢螺栓断口的宏观形貌
3. 瞬时断裂区：当疲劳裂纹扩展到临界裂纹尺寸时，螺栓断口上末断裂部分，因有效截面积的减少，有效截面积再也承受不了当时的最大应力，而突然发生断裂。由于这种断裂是在瞬时发生的，所以断口的宏观特征与由氢导致材料脆性断裂的断口基本相同，断口表面齐平，没有塑性变形，并带有放射状的撕裂棱线。放射状的撕裂棱线的出现，说明该区的断裂是急速进行的。瞬时断裂区在整个疲劳断口中所占的比例很小，这说明螺栓的断裂是在交变单向拉压载荷作用下引起的低应力疲劳断裂。
六、结论
断裂螺栓的制造工艺路线不合理，螺栓没有进行整体锻造，锻造后又未进行正火处理，调质处理后又未进行精加工，以致在距螺栓六角支承面2.16mm处留下了较深的切削加工刀痕，当螺栓在交变单向拉压载荷的条件下工作时，便在较深的切削加工刀痕处形成了严重的局部应力集中，成为疲劳裂纹源区。从这些疲劳裂纹源区开始进而引发成低应力的疲劳断裂。
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