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首頁(yè) 質(zhì)量分析

風(fēng)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(zhì)為B7,表面達克羅處理。失效螺栓用于固定上下兩個(gè)塔筒,服役2年后發(fā)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(guān)形貌,可見(jiàn)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(guān)形貌,可見(jiàn)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(guān)

圖1 送檢試樣外觀(guān)

送檢螺栓側面宏觀(guān)形貌

圖2 送檢螺栓側面宏觀(guān)形貌

2. 斷口分析

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

圖3 失效螺栓斷口宏觀(guān)形貌

圖3 失效螺栓斷口宏觀(guān)形貌

圖4所示為所選斷裂件的斷口宏觀(guān)形貌,斷口未見(jiàn)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(jiàn)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(gè)斷面面積的四分之一。

圖4 斷口宏觀(guān)形貌

圖4 斷口宏觀(guān)形貌

圖5、圖6所示為A區微觀(guān)形貌,可見(jiàn)明顯的磨損痕跡。

圖5 斷面A區微觀(guān)形貌

圖6 斷面A區微觀(guān)形貌

圖6 斷面A區微觀(guān)形貌

圖7、圖8、圖9所示為B區微觀(guān)形貌,可見(jiàn)明顯的疲勞輝紋,為裂紋擴展區。

圖7 斷面B區微觀(guān)形貌

圖7 斷面B區微觀(guān)形貌

圖8 斷面B區微觀(guān)形貌

圖8 斷面B區微觀(guān)形貌

圖9 斷面B區微觀(guān)形貌

圖9 斷面B區微觀(guān)形貌

圖10、圖11所示為C區微觀(guān)形貌,可見(jiàn)明顯的等軸韌窩和剪切韌窩,為終斷區。

圖10 斷面C區微觀(guān)形貌

圖10 斷面C區微觀(guān)形貌

圖11 斷面C區微觀(guān)形貌

圖11 斷面C區微觀(guān)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(jiàn)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(jiàn)存在深度約0.15mm的半脫碳層,未發(fā)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(lèi)球狀氧化物夾雜(細系)1.5級,A類(lèi)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(jiàn)頭部連續流暢且延頭部外形分布,未發(fā)現明顯異常。

圖17 失效螺栓頭部流線(xiàn)

圖17 失效螺栓頭部流線(xiàn)

4. 力學(xué)性能檢測

對斷裂螺栓進(jìn)行表、芯硬度試驗,結果如表1所示,結果滿(mǎn)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(jìn)行力學(xué)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(xué)性能檢測

表2 完好螺栓力學(xué)性能檢測

5. 螺栓材質(zhì)分析 采用直讀光譜法對斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)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(xué)成分

表3 斷裂螺栓化學(xué)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(xiàn)、化學(xué)成分、力學(xué)性能等均未發(fā)現明顯異常。斷口宏觀(guān)形貌可見(jiàn)大面積的海灘花樣,微觀(guān)可見(jiàn)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(fā)現斷裂螺栓頭下圓角處的表面存在全脫碳現象且發(fā)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(shí),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(guò)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(zhì)是疲勞斷裂;

(2)螺栓力學(xué)性能指標及化學(xué)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(shí)對中不良。