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首頁 質量分析

風機塔筒高強度螺栓失效分析

1. 概述

委托方提供斷裂螺栓2件,完好螺紋連接副4組,螺栓規格為M36×175,性能等級為10.9級,材質為B7,表面達克羅處理。失效螺栓用于固定上下兩個塔筒,服役2年后發生斷裂,委托方要求分析斷裂原因。圖1所示為送檢樣品宏觀形貌,可見兩枚斷裂螺栓的斷裂位置均位于頭桿連接處,如圖中箭頭所示。圖2所示為其中送檢螺栓的側面宏觀形貌,可見螺栓光桿處均存在局部磨損、腐蝕的現象,如圖中箭頭所示。

圖1 送檢試樣外觀

圖1 送檢試樣外觀

送檢螺栓側面宏觀形貌

圖2 送檢螺栓側面宏觀形貌

2. 斷口分析

圖3所示為2件失效螺栓斷口宏觀形貌,選取其中1件斷口進行分析,如圖中箭頭所示。

圖3 失效螺栓斷口宏觀形貌

圖3 失效螺栓斷口宏觀形貌

圖4所示為所選斷裂件的斷口宏觀形貌,斷口未見明顯塑性變形,斷面上半部分腐蝕嚴重(圖中A、B區),但仍可見隱約的海灘花樣;斷面下半部分(圖中C區)為新鮮斷口,呈金屬本色,新鮮斷口面積約占整個斷面面積的四分之一。

圖4 斷口宏觀形貌

圖4 斷口宏觀形貌

圖5、圖6所示為A區微觀形貌,可見明顯的磨損痕跡。

圖5 斷面A區微觀形貌

圖6 斷面A區微觀形貌

圖6 斷面A區微觀形貌

圖7、圖8、圖9所示為B區微觀形貌,可見明顯的疲勞輝紋,為裂紋擴展區。

圖7 斷面B區微觀形貌

圖7 斷面B區微觀形貌

圖8 斷面B區微觀形貌

圖8 斷面B區微觀形貌

圖9 斷面B區微觀形貌

圖9 斷面B區微觀形貌

圖10、圖11所示為C區微觀形貌,可見明顯的等軸韌窩和剪切韌窩,為終斷區。

圖10 斷面C區微觀形貌

圖10 斷面C區微觀形貌

圖11 斷面C區微觀形貌

圖11 斷面C區微觀形貌

3. 金相檢測

圖12所示為送檢斷裂螺栓芯部金相組織,為均勻的回火索氏體組織。

圖12 斷裂螺栓芯部金相組織

圖12 斷裂螺栓芯部金相組織

圖13所示為失效螺栓斷口起始源區(頭下圓角處)表面金相組織,可見存在深度約22μm的全脫碳層以及深度約為200μm的裂紋。

圖13 斷裂螺栓頭下圓角表面金相組織

圖13 斷裂螺栓頭下圓角表面金相組織

圖14、圖15所示為送檢完好螺栓頭下圓角處表面組織,可見存在深度約0.15mm的半脫碳層,未發現全脫碳及不連續性缺陷。

圖14 完好螺栓頭下圓角表面組織

圖14 完好螺栓頭下圓角表面組織

圖15 完好螺栓頭下圓角表面組織

圖15 完好螺栓頭下圓角表面組織

圖16所示為失效螺栓的非金屬夾雜物情況,根據“GB-T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準”可評定為D類球狀氧化物夾雜(細系)1.5級,A類硫化物夾雜(細系)1級。

圖16 失效螺栓非金屬夾雜物

圖16 失效螺栓非金屬夾雜物

圖17、圖18所示分別為失效螺栓與完好螺栓頭部低倍組織,可見頭部連續流暢且延頭部外形分布,未發現明顯異常。

圖17 失效螺栓頭部流線

圖17 失效螺栓頭部流線

4. 力學性能檢測

對斷裂螺栓進行表、芯硬度試驗,結果如表1所示,結果滿足“GB/T 3098.1-2010”對于10.9級螺栓的要求。

表1 失效螺栓表芯硬度檢測

表1-失效螺栓表芯硬度檢測

對送檢完好螺栓進行力學性能試驗,試驗結果如表2所示,符合“GB/T 3098.1-2010” 對于10.9級螺栓的要求。

表2 完好螺栓力學性能檢測

表2 完好螺栓力學性能檢測

5. 螺栓材質分析 采用直讀光譜法對斷裂螺栓進行化學成分分析,結果如表3所示,符合“ASTM A193_A193M-2012b”標準中對B7材料的要求,。

表3 斷裂螺栓化學成分

表3 斷裂螺栓化學成分

6.綜合分析
送檢斷裂螺栓芯部金相組織、非金屬夾雜物、頭部流線、化學成分、力學性能等均未發現明顯異常。斷口宏觀形貌可見大面積的海灘花樣,微觀可見大量疲勞輝紋,呈典型疲勞斷裂特征。疲勞源區位于頭下圓角位置,為應力集中區;金相檢驗發現斷裂螺栓頭下圓角處的表面存在全脫碳現象且發現了多條顯微裂紋,判定為已萌生但尚未充分擴展的疲勞裂紋。

此外,送檢的5根螺栓的光桿部位均存在局部磨損、腐蝕現象,判斷應為螺栓安裝時,因對中不良而導致螺栓桿部與塔筒法蘭碰擦所致。安裝對中不良導致螺栓頭桿連接處承受附加彎曲應力;加上螺栓圓角處存在全脫碳缺陷,疲勞強度不足,以上因素共同影響,導致螺栓在服役過程中的交變載荷作用下,首先在頭下圓角處萌生疲勞裂紋,裂紋在交變載荷作用下不斷擴展,直至螺栓斷裂。

7. 結論

(1)螺栓的斷裂性質是疲勞斷裂;

(2)螺栓力學性能指標及化學成分符合標準要求;

(3)螺栓疲勞斷裂的根本原因是頭下圓角處存在全脫碳,以及安裝時對中不良。

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