10.9級高強(qiáng)螺栓頭部斷裂原因分析……

摘要：通過宏觀檢驗(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10.9級高強(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，頭部尺角部位產(chǎn)生折疊微裂紋，形成了早期裂紋源；在服役過程中，螺栓長期受交變工作應(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。

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，多節(jié)塔筒通過高強(qiáng)螺栓連接緊固后達(dá)到預(yù)定高度。

某風(fēng)場于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5800 Nm。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M48mmX310mm ，級別為10. 9級，批號為1204,材料為42CrM〇A 鋼。螺栓主要生產(chǎn)工藝為:退火—拉拔—下料一鐓頭成型— 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，筆者通過一系列理化檢驗(yàn)方法對其斷裂原因進(jìn)行了分析。

1、宏觀檢驗(yàn)

斷裂螺栓的宏觀形貌如圖1所示?？梢娐菟〝嗔延陬^部只角部位，螺桿及螺紋部位未見明顯的塑性變形。由圖2可見，斷口宏觀形貌較平整，整體呈灰色，局部有斑點(diǎn)狀誘蝕痕跡;可明顯觀察到裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)。

裂紋起源于頭部角部位，根據(jù)源區(qū)特征，將其分為A，B兩區(qū)，見圖3a)。裂紋源A 區(qū)呈黑褐色弧形特征，長度約為7mm ,最深處約為3mm。擴(kuò)展弧線較淺，間距小，呈浪花狀向螺栓心部擴(kuò)展。裂紋源B區(qū)出現(xiàn)臺階，擴(kuò)展弧線呈放射狀向心部擴(kuò)展，弧線間距較大。從斷口側(cè)面可見，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，見圖3b)。裂紋擴(kuò)展區(qū)約占斷口面積的90% ，貝殼紋清晰可見。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，說明螺栓在服役條件下名義工作應(yīng)力較低。從擴(kuò)展弧線形狀可知，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)展弧線特征及擴(kuò)展距離可見，裂紋起源于A 區(qū)并緩慢擴(kuò)展，在此過程中，B區(qū)裂紋萌生，兩區(qū)裂紋匯合后同時(shí)向心部擴(kuò)展。

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，檢測結(jié)果見表1?？梢娫摂嗔崖菟ǖ幕瘜W(xué)成分符合GB/T3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對42CrM〇A鋼成分的要求。

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)果見表2 ?？梢姅嗔崖菟ǖ牧W(xué)性能(屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率、斷后伸長率、沖擊吸收能量、洛氏硬度）符合GB/T 3098.1 —2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》的技術(shù)要求。

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。裂紋源A處的微觀形貌見圖4和圖5。從拋光態(tài)形貌可見，在距斷口表面約200um處，存在平行于斷口的微裂紋，裂紋較寬且間隙中填滿了致密氧化皮。采用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕后可見，R角表面存在不完全脫碳現(xiàn)象，脫碳層深度約為105um 。裂紋主要以穿晶方式擴(kuò)展，兩側(cè)未見脫碳現(xiàn)象。裂紋源B處的微觀形貌見圖6和圖7，從拋光態(tài)形貌可見，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，其中填滿了致密氧化皮。浸蝕后可見，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)未見脫碳現(xiàn)象。

根據(jù)GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定-標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》中的實(shí)際檢驗(yàn)A 法進(jìn)行非金屬夾雜物級別評定，螺栓心部的非金屬夾雜物級別為八0.5,30,0)，00.5，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，螺栓心部顯微組織及非金屬夾雜物級別均正常。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尺角表面，可推斷出該裂紋為鐓頭成型過程中形成的氧化皮折疊類缺陷。

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)。螺栓頭部流線清晰隨形，無明顯的鍛造缺陷，見圖8。與GB/T1979—2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》中的評級圖對比，斷裂螺栓低倍組織缺陷評定級別為中心疏松0.5級，一般疏松0.5級，見圖9。

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W 。裂紋源A 處存在半弧形暗黑色痕跡，疲勞貝紋線由黑色部位向四周擴(kuò)展，放大后可見該部位發(fā)生了氧化，無明顯斷裂特征，見圖10。裂紋源B處存在疲勞臺階，未見明顯缺陷，見圖11。裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞輝紋，輝紋細(xì)膩緊密，說明裂紋擴(kuò)展速度較慢，呈高周疲勞特征，見圖12。

使用能譜儀對裂紋源A處進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果見圖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。

該10.9級高強(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：

(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10.9級螺栓的技術(shù)要求。螺栓非金屬夾雜物級別及心部顯微組織均正常，表明該螺栓的材料性能較好，對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，長期承受振動應(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)展提供了有效的動力源。

對螺栓生產(chǎn)線調(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)。但在加熱過程中，夾持螺栓的夾具也會升溫，因此需要對夾具進(jìn)行實(shí)時(shí)冷卻。當(dāng)外部振動或工人操作不慎時(shí)，冷卻夾具的水可能會飛濺到螺栓上，使其頭部表面形成氧化皮。隨后在鐓頭時(shí)，角部位的氧化皮因流線的改變折疊到螺栓次表面，形成了折疊缺陷。

該10.9級螺栓斷裂機(jī)制為高周疲勞斷裂。裂紋源為頭部尺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。在服役過程中，螺栓長期受交變工作應(yīng)力作用，導(dǎo)致微裂麵一步擴(kuò)展，最終造成斷裂。建議加強(qiáng)螺栓鐓頭工藝過程的控制，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，以減少尺角部位形成氧化皮的可能性;加強(qiáng)對服役螺栓的定期維護(hù)與檢修，防止螺栓出現(xiàn)松動，從而減小附加交變應(yīng)力的影響。

粵順昌摘自華人螺紋網(wǎng)