黃嘉樂(lè),錢(qián) 錕,韓 波

 (上海寶冶工程技術(shù)有限公司,上海 ２００９４１) 

摘 要:通過(guò)宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)及能譜分析等方法對(duì)10.9級(jí)高 強(qiáng)螺栓斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:在螺栓鐓頭成型工序中,頭部R 角部位產(chǎn)生折疊微裂紋, 形成了早期裂紋源;在服役過(guò)程中,螺栓長(zhǎng)期受交變工作應(yīng)力作用,使得微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,最終導(dǎo) 致高周疲勞斷裂.最后提出了相應(yīng)的預(yù)防措施. 

關(guān)鍵詞:10.9級(jí)螺栓;高周疲勞;斷裂;折疊微裂紋;氧化皮 中圖分類(lèi)號(hào):TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７１８Ｇ０４

螺栓連接是塔筒、齒輪箱、葉片、發(fā)電機(jī)等眾多 風(fēng)電設(shè)備基礎(chǔ)構(gòu)件的一種重要緊固方式,螺栓的安 全性與可靠性影響著整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命. 風(fēng)機(jī)塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔桿,主要起支撐作用,同 時(shí)可以吸收機(jī)組振動(dòng),多節(jié)塔筒通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接 緊固后達(dá)到預(yù)定高度. 

某風(fēng)場(chǎng)于２０１３年初使用精度檢定合格的定扭 力扳手 安 裝 了 風(fēng) 機(jī) 塔 筒 法 蘭 螺 栓,安 裝 扭 矩 為 ５８００N??m.２０１６年５月,塔筒爬梯位置附近的１根 螺 栓 斷 裂 于 頭 部. 該 螺 栓 規(guī) 格 為 M４８ mm × ３１０mm,級(jí) 別 為 １０．９ 級(jí),批 號(hào) 為 １２０４,材 料 為 ４２CrMoA 鋼.螺栓主要生產(chǎn)工藝為:退火→拉拔→ 下料→鐓頭成型→熱處理(調(diào)質(zhì),具體參數(shù)不詳)→ 滾絲→達(dá)克羅. 

為查明該螺栓的斷裂原因,加強(qiáng)對(duì)其安全性和 可靠性的控制,消除安全隱患,保證風(fēng)機(jī)正常、平穩(wěn) 的運(yùn)行,筆者通過(guò)一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)其斷裂原 因進(jìn)行了分析. 

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀檢驗(yàn) 

斷裂螺栓的宏觀形貌如圖１所示.可見(jiàn)螺栓斷 裂于頭部R 角部位,螺桿及螺紋部位未見(jiàn)明顯的塑 性變形.由圖２可見(jiàn),斷口宏觀形貌較平整,整體呈 灰色,局部有斑點(diǎn)狀銹蝕痕跡;可明顯觀察到裂紋源 區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū). 

裂紋起源于頭部R 角部位,根據(jù)源區(qū)特征,將其 分為 A,B兩區(qū),見(jiàn)圖３a).裂紋源 A區(qū)呈黑褐色弧形 特征,長(zhǎng)度約為７mm,最深處約為３mm.擴(kuò)展弧線(xiàn) 較淺,間距小,呈浪花狀向螺栓心部擴(kuò)展.裂紋源 B 區(qū)出現(xiàn)臺(tái)階,擴(kuò)展弧線(xiàn)呈放射狀向心部擴(kuò)展,弧線(xiàn)間 距較大.從斷口側(cè)面可見(jiàn),裂紋源區(qū)存在損傷痕跡,損傷表面斷口較新鮮,判定為斷后損傷,見(jiàn)圖３b). 裂紋擴(kuò)展區(qū)約占斷口面積的９０％,貝殼紋清晰可見(jiàn). 瞬斷區(qū)約占斷口面積的１０％,呈剪切特征.

綜上所述可以判斷,該螺栓的斷裂機(jī)制為疲勞 斷裂.斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)面積較大,瞬斷區(qū)面積較小, 說(shuō)明螺栓在服役條件下名義工作應(yīng)力較低.從擴(kuò)展 弧線(xiàn)形狀可知,裂紋起源時(shí)存在中等應(yīng)力集中現(xiàn)象.從裂紋源 A,B區(qū)的擴(kuò)展弧線(xiàn)特征及擴(kuò)展距離可見(jiàn), 裂紋起源于 A 區(qū)并緩慢擴(kuò)展,在此過(guò)程中,B 區(qū)裂 紋萌生,兩區(qū)裂紋匯合后同時(shí)向心部擴(kuò)展[１].

１．２ 化學(xué)成分分析 

從螺栓斷口下方３０mm 處取樣進(jìn)行化學(xué)成分 分析,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表１.可見(jiàn)該斷裂螺栓的化學(xué)成 分 符 合 GB/T ３０７７ － ２０１５«合 金 結(jié) 構(gòu) 鋼 »對(duì) ４２CrMoA 鋼成分的要求. 

１．３ 力學(xué)性能試驗(yàn) 

在斷裂螺 栓 上 截 取 拉 伸 試 樣、沖 擊 試 樣 進(jìn) 行 力學(xué)性能試驗(yàn).取樣位置位于 D/４處(D 為螺栓 直徑),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表２.可見(jiàn)斷裂螺栓的力學(xué)性 能(屈 服 強(qiáng) 度、抗 拉 強(qiáng) 度、斷 面 收 縮 率、斷 后 伸 長(zhǎng) 率、沖擊吸收能量、洛氏硬度)符合 GB/T３０９８．１－ ２０１０«緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱»的技術(shù) 要求. 

１．４ 金相檢驗(yàn) 

分別從螺栓心部和裂紋源 A,B 處沿縱截面取 樣,按 GB/T１３２９８－２０１５«金 屬 顯 微 組 織 檢 驗(yàn) 方 法»制樣,隨后置于光學(xué)顯微鏡下觀察[２].裂紋源 A 處的微觀形貌見(jiàn)圖４和圖５.從拋光態(tài)形貌可見(jiàn), 在距斷口表面約２００μm 處,存在平行于斷口的微裂紋,裂紋較寬且間隙中填滿(mǎn)了致密氧化皮.采用 ４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕后可見(jiàn),R 角表 面存在不完全脫碳現(xiàn)象,脫碳層深度約為１０５μm. 裂紋主要以穿晶方式擴(kuò)展,兩側(cè)未見(jiàn)脫碳現(xiàn)象.裂 紋源 B處的微觀形貌見(jiàn)圖６和圖７,從拋光態(tài)形貌 可見(jiàn),斷口下方存在兩條微裂紋,裂紋形態(tài)崎嶇,略 有分叉,且裂紋中間略寬于兩邊,其中填滿(mǎn)了致密氧 化皮.浸蝕后可見(jiàn),R 角表面同樣存在不完全脫碳 現(xiàn)象,裂紋穿晶擴(kuò)展,兩側(cè)未見(jiàn)脫碳現(xiàn)象.

根據(jù) GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾雜物 含量的測(cè)定Ｇ標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法»中的實(shí)際檢驗(yàn) A 法進(jìn)行非金屬夾雜物級(jí)別評(píng)定,螺栓心部的非金 屬夾雜物級(jí)別為 A０．５,B０,C０,D０．５,材料純凈度良 好.螺栓心部顯微組織為回火索氏體 ＋ 少量鐵素 體,屬正常組織. 綜上所述可見(jiàn),螺栓心部顯微組織及非金屬夾 雜物級(jí)別均正常.微裂紋形態(tài)不一,略有分叉,裂紋 源表面及微裂紋間隙中均存在氧化皮,說(shuō)明該裂紋 可能產(chǎn)生于鐓頭成型或熱處理工序中.氧化皮致密 且近乎封閉于R 角表面,可推斷出該裂紋為鐓頭成 型過(guò)程中形成的氧化皮折疊類(lèi)缺陷[３]. 

１．５ 低倍檢驗(yàn) 

在螺栓頭部沿縱向截取試樣,在斷口下方沿橫 向截取試樣,根據(jù) GB/T２２６－２０１５«鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法»,經(jīng)磨拋后使用體積比為１∶１的 工業(yè)鹽酸水溶液進(jìn)行熱酸蝕試驗(yàn).螺栓頭部流線(xiàn)清 晰隨 形,無(wú) 明 顯 的 鍛 造 缺 陷,見(jiàn) 圖 ８. 與 GB/T １９７９－２００１«結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖»中的評(píng)級(jí) 圖對(duì)比,斷裂螺栓低倍組織缺陷評(píng)定級(jí)別為中心疏 松０．５級(jí),一般疏松０．５級(jí),見(jiàn)圖９.

１．６ 斷口形貌及微區(qū)成分分析 

將螺 栓 斷 口 清 洗 后 置 于 掃 描 電 子 顯 微 鏡(SEM)下進(jìn)行微觀形貌觀察[４].裂紋源 A 處存在 半弧形暗黑色痕跡,疲勞貝紋線(xiàn)由黑色部位向四周 擴(kuò)展,放大后可見(jiàn)該部位發(fā)生了氧化,無(wú)明顯斷裂特 征,見(jiàn)圖１０.裂紋源 B 處存在疲勞臺(tái)階,未見(jiàn)明顯 缺陷,見(jiàn)圖１１.裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞輝紋,輝 紋細(xì)膩緊密,說(shuō)明裂紋擴(kuò)展速度較慢,呈高周疲勞特 征,見(jiàn)圖１２. 

使用能譜儀對(duì)裂紋源 A 處進(jìn)行微區(qū)成分分析, 結(jié)果見(jiàn)圖１３.裂紋源 A 處半弧形黑色區(qū)域主要含 有鐵和氧兩種元素,即斷口表面物質(zhì)以氧化物為主.

２ 分析與討論 

該１０．９級(jí)高強(qiáng)螺栓的斷裂機(jī)制為高周疲勞斷 裂,其疲勞性能主要有以下幾個(gè)影響因素[５]: 

(１)材料成分及性能.螺栓的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合 GB/T３０９８．１－２０１０中對(duì)１０．９級(jí)螺栓 的技術(shù)要求.螺栓非金屬夾雜物級(jí)別及心部顯微組 織均正常,表明該螺栓的材料性能較好,對(duì)螺栓疲勞 性能的影響較小.

(２)表面狀態(tài).由于疲勞裂紋一般都產(chǎn)生在零 件的表面,故表面狀態(tài)的優(yōu)劣對(duì)材料疲勞性能有較 大的影響.表面狀態(tài)越差,應(yīng)力集中源越多,裂紋產(chǎn) 生和擴(kuò)展的越早,疲勞強(qiáng)度越低.該斷裂螺栓在 R 角部位存在折疊微裂紋,降低了螺栓承載的截面積. 同時(shí),微裂紋的存在加劇了螺栓頭部R 角部位的應(yīng) 力集中現(xiàn)象,從而形成了早期裂紋源. 

(３)加載方式及環(huán)境介質(zhì).該螺栓用于連接風(fēng) 機(jī)塔筒法蘭,長(zhǎng)期承受振動(dòng)應(yīng)力,應(yīng)力大小主要與塔 筒所受風(fēng)頻有關(guān).當(dāng)風(fēng)頻較高時(shí),螺栓處于循環(huán)交變應(yīng)力作用下,這為疲勞裂紋的擴(kuò)展提供了有效的 動(dòng)力源. 對(duì)螺栓生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),在鐓頭成型工序中,螺 栓的加熱方式為局部感應(yīng).但在加熱過(guò)程中,夾持 螺栓的夾具也會(huì)升溫,因此需要對(duì)夾具進(jìn)行實(shí)時(shí)冷 卻.當(dāng)外部振動(dòng)或工人操作不慎時(shí),冷卻夾具的水 可能會(huì)飛濺到螺栓上,使其頭部表面形成氧化皮. 隨后在鐓頭時(shí),R 角部位的氧化皮因流線(xiàn)的改變折 疊到螺栓次表面,形成了折疊缺陷. 

３ 結(jié)論及建議 

該１０．９級(jí)螺栓斷裂機(jī)制為高周疲勞斷裂.裂紋源 為頭部R 角部位的折疊微裂紋,該裂紋產(chǎn)生于螺栓鐓 頭成型工序中.在服役過(guò)程中,螺栓長(zhǎng)期受交變工作 應(yīng)力作用,導(dǎo)致微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,最終造成斷裂. 建議加強(qiáng)螺栓鐓頭工藝過(guò)程的控制,改變鐓頭 成型工序中夾具的冷卻方式,由外部冷卻改為內(nèi)部 冷卻,以減少 R 角部位形成氧化皮的可能性;加強(qiáng) 對(duì)服役螺栓的定期維護(hù)與檢修,防止螺栓出現(xiàn)松動(dòng), 從而減小附加交變應(yīng)力的影響. 

４ 結(jié)論及建議 

(１)調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)軸斷裂失效模式為低應(yīng)力 高周旋轉(zhuǎn)/彎曲疲勞斷裂. 

(２)調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)軸疲勞斷裂失效原因主要 歸結(jié)為以下幾點(diǎn).首先,步進(jìn)電機(jī)軸表面變徑部位 退刀槽位置存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象;其次,步進(jìn)電機(jī) 軸材料內(nèi)部存在非金屬夾雜物,會(huì)進(jìn)一步造成應(yīng)力 疊加或應(yīng)力集中;最后,硫化物、碳化物等夾雜物的 存在會(huì)降低材料塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度,造成材料力 學(xué)性能降低,加速疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展. 

(３)由于廠方未提供調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)軸具體材 料及熱處理狀態(tài),因此化學(xué)成分分析和硬度試驗(yàn)結(jié) 果僅供參考. 

(４)為防止類(lèi)似失效事故的再次發(fā)生,建議嚴(yán) 格落實(shí)調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)軸材料,把控電機(jī)軸產(chǎn)品質(zhì) 量,保證電機(jī)軸的化學(xué)成分滿(mǎn)足技術(shù)要求;若有必要 建議對(duì)在役或新采購(gòu)的步進(jìn)電機(jī)軸進(jìn)行材料復(fù)核和 強(qiáng)度復(fù)核;優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用,嚴(yán)格控制步進(jìn) 電機(jī)軸變徑部位退刀槽位置的加工精度.

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<文章來(lái)源 >材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 55卷 > 10期 (pp:718-721)>