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张先鸣:高强度螺栓断裂分析

  核心提示:为查清螺栓断裂的原因,本文对断裂螺栓进行了理化检验和分析。

  摘要:

  风电机组用高强度螺栓在安装时断裂。通过化学成分分析,宏观和微观检验等方法对断裂原因进行分析。结果表明:螺栓断口为典型的在拉伸载荷作用下发生的混合型断裂,以脆性断裂为主,断口区域大小为400~550μm。螺栓心部存在少量的小块状铁素体及沿晶分布呈深黑色组织,表明螺栓在热处理时加热不足。断裂螺栓钢中表面层与心部非金属夹杂物无明显差别,D类环状氧化物夹杂物级别约为粗D2~D2.5级。

  断裂源区呈现的沿晶断裂和解理断口主要是螺栓热轧原材料存在不良组织缺陷所致。建议加强对螺栓B7钢热轧原材料热轧态组织的进厂检验,分析其带状组织及热处理组织缺陷情况。对每批螺栓处理后检查其淬透情况,以确保高强度螺栓心部马氏体组织体积分数达到约90%。

  关键词 螺栓;沿晶断裂;解理断口;带状组织;非金属夹杂物;淬透性

  某高强度螺栓的专业厂家在风电机组安装过程中有一只规格为M39×315螺栓杆部发生断裂。该断裂螺栓材料为B7钢,强度等级为10.9级。螺栓安装时杆部断裂扭力矩为2450 N•m,而技术要求螺栓扭力矩应达2800N•m。为查清螺栓断裂的原因,本文对断裂螺栓进行了理化检验和分析。

  1、理化检验

  1.1 宏观检验

  该螺栓断裂于杆部,其断口宏观形貌如图1所示。螺栓断口与轴线垂直,整个断口宏观上可分为3个区:断裂源区、放射区和剪切唇区。断裂源区处于断口的中心部位,该区面积很小;放射区为快速的脆性断裂区,呈现明显的放射状条纹特征,放射状条纹的收敛于断口中心,即为断裂源,放射区面积较大,占断口总面积的70%~80%;剪切唇区处于断口的四周边缘,为最终断裂区,并与断口面约呈45°。这些特征表明该螺栓断口为典型的在拉伸载荷作用下发生的混合型断裂,以脆性断裂为主。

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  1.2 化学成分分析

  运用Labspark750型火花光谱仪对螺栓进行化学成分分析,结果见表1,由表1可以看出螺栓的化学成分满足协议对B7钢的技术要求。

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   1.3 断口分析

  采用日本J SM - 6 4 8 0型扫描电镜及牛津INCA-350型能谱仪,对螺栓断口微观形貌及微区成分进行观察。断口为异常的沿晶或沿晶+局部穿晶解理断裂,该区域大小为400~550μm,断裂源区沿晶断口形貌如图2所示,沿晶+穿晶解理断裂特征如图3所示,断裂源区局部脆性穿晶解理断口形貌如图4所示,准解理断裂特征如图5所示。放射区断口面积较大,占整个断口的70%~80%,其微观特征为典型的脆性解理断裂。断口周围是最后断裂的剪切唇区,其微观特征为大量的撕裂韧窝(图6)。

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  1.4 金相检验

  1.4.1 非金属夹杂物

  对断口进行磨制、抛光后,制成金相试样在光学显微镜下观察,按GB/T10561—2005标准评级图对钢中非金属夹杂物进行评级。断裂螺栓钢中非金属夹杂物如图7所示,断裂螺栓钢中表面层与心部非金属夹杂物无明显差别,D类环状氧化物夹杂物级别约为粗D2~D2.5级。

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  1.4.2 螺栓表面和心部金相组织

  经体积分数为3%硝酸酒精溶液浸蚀后,用光学显微镜及扫描电镜观察分析断裂螺栓的金相组织。螺栓杆部横截面试样经浸蚀后,在光学显微镜下观察螺栓表层金相组织如图8所示,为细小、均匀的回火索氏体组织。在距表面约15mm处,局部区域有较多的点状、小块状的铁素体组织,并有沿晶分布呈深黑色组织,有未完全淬透的痕迹,浅灰色区为细小、均匀的仍保留针状马氏体形态特征的回火索氏体组织。

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  螺栓心部金相组织如图9所示,由图9可以看出螺栓心部金相组织不均匀现象较为明显,点状、小块状铁素体量较多,并有条状或针状魏氏组织特征。在扫描电镜下,螺栓表层金相组织为针状特征的正常均匀的回火索氏体组织(图10)。在螺栓心部呈黑色(在金相显微镜下呈白色)的小块状铁素体,金相组织也多呈板条状特征,局部可见呈针状特征(图11)。

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★图11断裂螺栓心部金相组织(浸蚀态、SEM)

  1.5 硬度测试

  采用HR-150A洛氏硬度计分别在螺栓断口横截面进行硬度测试,从螺栓表面至心部的硬度测试结果见表2。由表2可以看出表面硬度在35.1~38.3HRC,心部硬度在35.4~37.7 HRC。

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  2、分析与讨论

  断裂螺栓断口分析表明,断裂源位于螺栓中心处,断裂源断口呈沿晶或沿晶+局部穿晶解理断裂,断裂源区尺寸为400~550 μm,几乎看不到韧窝特征的异常断口。断口放射区面积较大,占整个断口的70%~80%,有明显放射状条纹,为裂纹快速扩展区,是典型的脆性解理断裂。

  螺栓安装时在拉伸载荷作用下,心部局部沿晶脆断而引发的裂纹而快速扩展导致的脆性断裂。高强度螺栓经过调质处理,其强韧性配合良好,螺栓最终断裂区有剪切唇,但心部的沿晶断裂表明其晶界强度较低,这是由原材料轧制工艺控制不当,存在不良的组织缺陷所致。

  螺栓断口金相组织分析表明:表层金相组织为均匀的回火索氏体,从距表面约12~15mm处开始出现组织不均匀现象,有少量的点状、小块状铁素体及沿晶分布呈深黑色组织(有未完全淬透的特征),心部组织不均匀现象较为明显,呈白亮色的小块状铁素体增多,局部有条状或针状魏氏组织特征,这与螺栓原材料热轧存在不良组织缺陷及调质热处理加热不足有关。螺栓在网带炉中淬火加热时因装炉量大,网带运动速度较快,造成螺栓加热不足,心部奥氏体化不充分、不均匀,导致螺栓未完全淬透。

  金相检验分析显示在距表面12~15mm处出现点状、小块状的铁素体组织,表明螺栓心部并未完全淬透,高温回火处理会掩盖淬火未完全淬透的真相,经验的方法应测定螺栓淬火态的心部硬度。

  高强度螺栓在淬火加热不足的情况下,表面硬度可达到36~38 HRC的技术要求,且符合GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》中的10.9级强度要求。在螺栓组织中非马氏体数量较多时,会造成螺栓强韧性的降低,但不至于引起螺栓心部断裂源区异常的沿晶断裂。

  3、结论与建议

  (1)该螺栓在安装过程中出现螺栓杆部的早期断裂,是异常的脆性断裂。断裂源区呈现的沿晶断裂和解理断口主要是螺栓热轧原材料存在组织缺陷所致。螺栓心部存在少量的小块状铁素体及沿晶分布呈深黑色组织,表明螺栓在热处理时存在加热不足现象,但不是造成该螺栓脆断的主要原因。

  (2)该螺栓淬火加热不足的原因,可能与网带炉装炉量过大、网带运动速度快及螺栓装炉不均匀等因素有关。建议每批螺栓热处理时,每班抽检一件淬火态螺栓,取杆部横截面试样,从表面到心部每隔3~4mm测定其硬度变化情况,同时配合金相检验分析其淬透情况,以确保高强度螺栓心部组织达到约90%马氏体。

  (3)螺栓B7钢实物冶金质量一般,未发现有严重的非金属夹杂物等缺陷。加强对螺栓B7钢热轧原材料组织的进厂检验,分析其带状组织及热加工不良的缺陷组织情况。通过工艺试验,确定合理的热处理工艺。

  作者:金蜘蛛紧固件网顾问专家 张先鸣
  本文原刊登于第37期金蜘蛛《紧固件》季刊,转载请注明来源于“金蜘蛛紧固件网”。

2018/12/6 9:54:00

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