摘要:通过宏观检验、化学成分分析、力学性能试验、金相检验及能谱分析等方法对10.9级高强螺栓断裂原因进行了分析.结果表明:在螺栓镦头成型工序中,头部R角部位产生折叠微裂纹,形成了早期裂纹源;在服役过程中,螺栓长期受交变工作应力作用,使得微裂纹进一步扩展,最终导致高周疲劳断裂.最后提出了相应的预防措施.
关键词:10.9级螺栓;高周疲劳;断裂;折叠微裂纹;氧化皮中图分类号:TG１１５．２文献标志码:B文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７１８Ｇ０４
螺栓连接是塔筒、齿轮箱、叶片、发电机等众多风电设备基础构件的一种重要紧固方式,螺栓的安全性与可靠性影响着整个风力发电机的使用寿命.风机塔筒是风力发电机的塔杆,主要起支撑作用,同时可以吸收机组振动,多节塔筒通过高强螺栓连接紧固后达到预定高度.
某风场于２０１３年初使用精度检定合格的定扭力扳手安装了风机塔筒法兰螺栓,安装扭矩为５８００Nm.２０１６年５月,塔筒爬梯位置附近的１根螺栓断裂于头部.该螺栓规格为M４８mm×３１０mm,级别为１０．９级,批号为１２０４,材料为４２CrMoA钢.螺栓主要生产工艺为:退火→拉拔→下料→镦头成型→热处理(调质,具体参数不详)→滚丝→达克罗.
为查明该螺栓的断裂原因,加强对其安全性和可靠性的控制,消除安全隐患,保证风机正常、平稳的运行,笔者通过一系列理化检验方法对其断裂原因进行了分析.
１理化检验
１．１宏观检验
断裂螺栓的宏观形貌如图１所示.可见螺栓断裂于头部R角部位,螺杆及螺纹部位未见明显的塑性变形.由图２可见,断口宏观形貌较平整,整体呈灰色,局部有斑点状锈蚀痕迹;可明显观察到裂纹源区、裂纹扩展区及瞬断区.
裂纹起源于头部R角部位,根据源区特征,将其分为A,B两区,见图３a).裂纹源A区呈黑褐色弧形特征,长度约为７mm,最深处约为３mm.扩展弧线较浅,间距小,呈浪花状向螺栓心部扩展.裂纹源B区出现台阶,扩展弧线呈放射状向心部扩展,弧线间距较大.从断口侧面可见,裂纹源区存在损伤痕迹,损伤表面断口较新鲜,判定为断后损伤,见图３b).裂纹扩展区约占断口面积的９０％,贝壳纹清晰可见.瞬断区约占断口面积的１０％,呈剪切特征.
综上所述可以判断,该螺栓的断裂机制为疲劳断裂.断口裂纹扩展区面积较大,瞬断区面积较小,说明螺栓在服役条件下名义工作应力较低.从扩展弧线形状可知,裂纹起源时存在中等应力集中现象.从裂纹源A,B区的扩展弧线特征及扩展距离可见,裂纹起源于A区并缓慢扩展,在此过程中,B区裂纹萌生,两区裂纹汇合后同时向心部扩展[１].
１．２化学成分分析
从螺栓断口下方３０mm处取样进行化学成分分析,检测结果见表１.可见该断裂螺栓的化学成分符合GB/T３０７７－２０１５合金结构钢对４２CrMoA钢成分的要求.
１．３力学性能试验
在断裂螺栓上截取拉伸试样、冲击试样进行力学性能试验.取样位置位于D/４处(D为螺栓直径),试验结果见表２.可见断裂螺栓的力学性能(屈服强度、抗拉强度、断面收缩率、断后伸长率、冲击吸收能量、洛氏硬度)符合GB/T３０９８．１－２０１０紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱的技术要求.
１．４金相检验
分别从螺栓心部和裂纹源A,B处沿纵截面取样,按GB/T１３２９８－２０１５金属显微组织检验方法制样,随后置于光学显微镜下观察[２].裂纹源A处的微观形貌见图４和图５.从抛光态形貌可见,在距断口表面约２００μm处,存在平行于断口的微裂纹,裂纹较宽且间隙中填满了致密氧化皮.采用４％(体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀后可见,R角表面存在不完全脱碳现象,脱碳层深度约为１０５μm.裂纹主要以穿晶方式扩展,两侧未见脱碳现象.裂纹源B处的微观形貌见图６和图７,从抛光态形貌可见,断口下方存在两条微裂纹,裂纹形态崎岖,略有分叉,且裂纹中间略宽于两边,其中填满了致密氧化皮.浸蚀后可见,R角表面同样存在不完全脱碳现象,裂纹穿晶扩展,两侧未见脱碳现象.
根据GB/T１０５６１－２００５钢中非金属夹杂物含量的测定Ｇ标准评级图显微检验法中的实际检验A法进行非金属夹杂物级别评定,螺栓心部的非金属夹杂物级别为A０．５,B０,C０,D０．５,材料纯净度良好.螺栓心部显微组织为回火索氏体＋少量铁素体,属正常组织.综上所述可见,螺栓心部显微组织及非金属夹杂物级别均正常.微裂纹形态不一,略有分叉,裂纹源表面及微裂纹间隙中均存在氧化皮,说明该裂纹可能产生于镦头成型或热处理工序中.氧化皮致密且近乎封闭于R角表面,可推断出该裂纹为镦头成型过程中形成的氧化皮折叠类缺陷[３].
１．５低倍检验
在螺栓头部沿纵向截取试样,在断口下方沿横向截取试样,根据GB/T２２６－２０１５钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法,经磨抛后使用体积比为１∶１的工业盐酸水溶液进行热酸蚀试验.螺栓头部流线清晰随形,无明显的锻造缺陷,见图８.与GB/T１９７９－２００１结构钢低倍组织缺陷评级图中的评级图对比,断裂螺栓低倍组织缺陷评定级别为中心疏松０．５级,一般疏松０．５级,见图９.
１．６断口形貌及微区成分分析
将螺栓断口清洗后置于扫描电子显微镜(SEM)下进行微观形貌观察[４].裂纹源A处存在半弧形暗黑色痕迹,疲劳贝纹线由黑色部位向四周扩展,放大后可见该部位发生了氧化,无明显断裂特征,见图１０.裂纹源B处存在疲劳台阶,未见明显缺陷,见图１１.裂纹扩展区有明显的疲劳辉纹,辉纹细腻紧密,说明裂纹扩展速度较慢,呈高周疲劳特征,见图１２.
使用能谱仪对裂纹源A处进行微区成分分析,结果见图１３.裂纹源A处半弧形黑色区域主要含有铁和氧两种元素,即断口表面物质以氧化物为主.
２分析与讨论
该１０．９级高强螺栓的断裂机制为高周疲劳断裂,其疲劳性能主要有以下几个影响因素[５]:
(１)材料成分及性能.螺栓的化学成分、力学性能均符合GB/T３０９８．１－２０１０中对１０．９级螺栓的技术要求.螺栓非金属夹杂物级别及心部显微组织均正常,表明该螺栓的材料性能较好,对螺栓疲劳性能的影响较小.
(２)表面状态.由于疲劳裂纹一般都产生在零件的表面,故表面状态的优劣对材料疲劳性能有较大的影响.表面状态越差,应力集中源越多,裂纹产生和扩展的越早,疲劳强度越低.该断裂螺栓在R角部位存在折叠微裂纹,降低了螺栓承载的截面积.同时,微裂纹的存在加剧了螺栓头部R角部位的应力集中现象,从而形成了早期裂纹源.
(３)加载方式及环境介质.该螺栓用于连接风机塔筒法兰,长期承受振动应力,应力大小主要与塔筒所受风频有关.当风频较高时,螺栓处于循环交变应力作用下,这为疲劳裂纹的扩展提供了有效的动力源.对螺栓生产线调研发现,在镦头成型工序中,螺栓的加热方式为局部感应.但在加热过程中,夹持螺栓的夹具也会升温,因此需要对夹具进行实时冷却.当外部振动或工人操作不慎时,冷却夹具的水可能会飞溅到螺栓上,使其头部表面形成氧化皮.随后在镦头时,R角部位的氧化皮因流线的改变折叠到螺栓次表面,形成了折叠缺陷.
３结论及建议
该１０．９级螺栓断裂机制为高周疲劳断裂.裂纹源为头部R角部位的折叠微裂纹,该裂纹产生于螺栓镦头成型工序中.在服役过程中,螺栓长期受交变工作应力作用,导致微裂纹进一步扩展,最终造成断裂.建议加强螺栓镦头工艺过程的控制,改变镦头成型工序中夹具的冷却方式,由外部冷却改为内部冷却,以减少R角部位形成氧化皮的可能性;加强对服役螺栓的定期维护与检修,防止螺栓出现松动,从而减小附加交变应力的影响.
４结论及建议
(１)调速器步进电机轴断裂失效模式为低应力高周旋转/弯曲疲劳断裂.
(２)调速器步进电机轴疲劳断裂失效原因主要归结为以下几点.首先,步进电机轴表面变径部位退刀槽位置存在明显应力集中现象;其次,步进电机轴材料内部存在非金属夹杂物,会进一步造成应力叠加或应力集中;最后,硫化物、碳化物等夹杂物的存在会降低材料塑性、韧性和疲劳强度,造成材料力学性能降低,加速疲劳裂纹的形成和扩展.
(３)由于厂方未提供调速器步进电机轴具体材料及热处理状态,因此化学成分分析和硬度试验结果仅供参考.
(４)为防止类似失效事故的再次发生,建议严格落实调速器步进电机轴材料,把控电机轴产品质量,保证电机轴的化学成分满足技术要求;若有必要建议对在役或新采购的步进电机轴进行材料复核和强度复核;优化结构设计和材料选用,严格控制步进电机轴变径部位退刀槽位置的加工精度.
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文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册55卷10期(pp:-)