風(fēng)電用高強(qiáng)度螺栓常見斷裂原因分析

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

0 引言

高強(qiáng)度螺栓在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用十分廣泛。葉片、塔筒、齒輪箱、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的聯(lián)接和鎖緊均采用高強(qiáng)度螺栓，因此，保證這些聯(lián)接緊固件的正常運(yùn)行，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要條件。本文利用現(xiàn)代檢測手段對(duì)上述部位斷裂的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行了綜合檢測，通過對(duì)斷裂原因的分析討論，總結(jié)出風(fēng)電用高強(qiáng)度螺栓斷裂的常見原因有：螺栓機(jī)械性能不合格、螺栓機(jī)械加工質(zhì)量不符合要求、熱處理制度不合理、加工工序不合理、原材料存在碳偏析、裝配扭矩過大、表面脫碳等，為關(guān)鍵部位聯(lián)接螺栓的設(shè)計(jì)、加工和安裝提供了合理的依據(jù)。

1 機(jī)械加工質(zhì)量引起螺栓斷裂（風(fēng)電葉片聯(lián)接螺栓）

1.1 樣品性能測試及斷口分析

所選螺栓樣品材質(zhì)為42CrMoA，強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)的風(fēng)電葉片聯(lián)接螺栓。從圖1所示的宏觀圖片及圖2的斷口分析圖片看，斷口為典型的疲勞斷口，斷口無縮頸。通過對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行失效分析，認(rèn)為螺栓表面加工質(zhì)量差，刀痕明顯，螺紋根部留下的刀痕是螺栓斷裂的主要原因。

圖1 斷口宏觀照片

表1 主要化學(xué)成分分析wt%

從表1可以看出，除C含量較標(biāo)準(zhǔn)值稍微偏低外，其他化學(xué)成分含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，不影響螺栓性能。

表2 力學(xué)性能測試

從表2可以看出，樣品各項(xiàng)力學(xué)性能均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 硬度均勻性檢測結(jié)果（HV0.3）

硬度均勻性檢測結(jié)果（見表3）表明，樣品硬度均勻性較好，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 金相分析

樣品晶粒度及金相組織均合格（見表4）。

1.2 分析、討論與建議

螺栓的化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度均勻性、金相組織、晶粒度均合格。從SEM掃描電鏡照片（見圖2）來看，螺栓的斷裂是從螺紋根部啟裂，逐漸擴(kuò)展，最后發(fā)生斷裂，斷裂方式為多源疲勞斷裂。從宏觀照片（見圖1）上分析，螺栓的表面可見明顯刀痕，帶有加工刀痕的螺栓圓棒直接由滾絲機(jī)擠壓成型加工螺紋，但未完全消除刀痕，這些刀痕在螺紋底部形成應(yīng)力集中，在使用過程中產(chǎn)生疲勞源，從而發(fā)生斷裂。

建議提高螺栓表面加工質(zhì)量，在滾制螺紋前保證螺栓的表面粗糙度達(dá)到要求。

2 預(yù)緊力過大導(dǎo)致螺栓斷裂（齒輪箱聯(lián)接螺栓）

2.1 樣品性能測試及斷口分析

所選螺栓樣品材質(zhì)為42CrMoA，強(qiáng)度等級(jí)為12.9級(jí)。通過宏觀、微觀金相、力學(xué)性能、斷口分析等檢測，分別對(duì)斷裂（D-1）和同批完好螺栓（W-1）進(jìn)行了分析，斷裂螺栓有縮頸情況，螺栓表面無脫碳，分析認(rèn)為該螺栓斷裂為預(yù)緊力過大造成。

表5 主要化學(xué)成分分析 (標(biāo)準(zhǔn)值參照表1)wt%

從表5可以看出，樣品化學(xué)成分測試值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

表6 力學(xué)性能測試

從表6可以看出，除斷裂（D-1）螺栓樣品拉伸試驗(yàn)未做外，其他拉伸及硬度性能均符合要求。

2.2 分析、討論與建議

螺栓的化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度均勻性（見圖3）、金相（見表7）等結(jié)果均合格。從螺栓宏觀形貌（見圖4）發(fā)現(xiàn)斷裂處有縮頸現(xiàn)象，且從斷口SEM照片（見圖5）上看，均為韌性斷口，綜合分析判斷該螺栓為預(yù)緊力過大造成螺栓損傷，并在運(yùn)行后擴(kuò)展斷裂。建議在螺栓把緊時(shí)采用預(yù)緊扳手，同時(shí)預(yù)緊力要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表7 金相分析

3 熱處理制度不合理造成的螺栓斷裂（穿心螺桿斷裂）

3.1 樣品性能測試及斷口分析

所選螺栓樣品材質(zhì)為42CrMo，強(qiáng)度等級(jí)為8.8級(jí)。通過對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相分析、斷口分析等檢測，發(fā)現(xiàn)螺栓顯微組織為上貝氏體組織，檢測人員認(rèn)為：該螺栓由于顯微組織不正常，導(dǎo)致螺栓力學(xué)性能下降，造成失效。

3.2 分析、討論與建議

螺栓化學(xué)成分合格（見表8），斷口分析時(shí)發(fā)現(xiàn)瞬斷區(qū)呈解理斷裂形貌（見圖7），硬度均勻性（見表9），金相分析（見表10、圖6）表明螺栓顯微組織為上貝氏體。螺栓組織不正常是螺栓斷裂的主要原因。

表8 主要化學(xué)成分分析 (標(biāo)準(zhǔn)值參照表1)wt%

表9 硬度均勻性（HV0.3）

表10 金相分析

上貝氏體形成于貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)較高溫度范圍內(nèi)，中、高碳鋼大約在350～550℃之間形成。上貝氏體的形成溫度較高，鐵素體條粗大，碳的過飽和度低，因而強(qiáng)度和硬度較低。另外，碳化物顆粒粗大，且呈斷續(xù)條狀分布于鐵素體條間，鐵素體條和碳化物的分布具有明顯的方向性，這種組織狀態(tài)使鐵素體條間易產(chǎn)生脆斷，同時(shí)鐵素體條本身也可能成為裂紋擴(kuò)展的路徑。所以上貝氏體的沖擊韌性較低。

因此，在工程材料中一般應(yīng)避免上貝氏體組織的形成[1]。在螺栓熱處理時(shí)，要注意控制好熱處理溫度和保溫時(shí)間，避免產(chǎn)生組織異常的情況，從而導(dǎo)致螺栓斷裂。

4 加工工序倒置（導(dǎo)致風(fēng)電葉片聯(lián)接螺栓斷裂）

4.1 樣品性能測試及斷口分析

所選螺栓樣品材質(zhì)為42CrMoA，強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)的風(fēng)電葉片聯(lián)接螺栓。由于螺栓加工工序倒置，致使螺紋流線遭到破壞，削弱螺紋強(qiáng)度，最后從螺紋根部的刀痕處斷裂。

4.2 分析討論

螺栓的化學(xué)成分（見表11）、力學(xué)性能、硬度均勻性（見圖8）、金相組織（見表12）均合格。從SEM掃描電鏡結(jié)果（見圖10）來看，螺栓的斷裂是從螺紋根部啟裂，逐漸擴(kuò)展，最后發(fā)生斷裂，斷裂方式為多源疲勞斷裂，刀痕是疲勞源萌生地。將1078#螺栓的螺紋根部與其他批次的組織形態(tài)進(jìn)行比較，1078#沒有明顯輥軋的方向性（見圖9），分析原因?yàn)椋簭S家沒有采用輥絲機(jī)加工螺紋，而是在完成熱處理后采用其他機(jī)械方法加工，這種方式會(huì)切斷軋制流線組織，削弱螺紋的強(qiáng)度，同時(shí)刀具在加工過程中的磨損和振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致螺紋及根部加工不均勻，在運(yùn)行過程中各螺紋的受力不均勻，導(dǎo)致螺紋根部啟裂。

表11 主要化學(xué)成分分析(標(biāo)準(zhǔn)值參照表1)wt%

表11中，樣品1078為斷裂螺栓，樣品1079為完好螺栓。

表12 金相分析

5 結(jié)論與建議

通過對(duì)上文4種失效情況的分析討論，總結(jié)出風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓斷裂原因有以下幾種：

（1）螺栓的機(jī)械加工表面未達(dá)到規(guī)范要求，存留有較深刀痕，在輥制螺紋后仍未消除，最后在螺紋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致螺栓斷裂；

（2）在風(fēng)機(jī)裝配時(shí)，安裝人員未按要求用預(yù)緊扳手對(duì)螺栓進(jìn)行裝配，導(dǎo)致裝配時(shí)螺栓因預(yù)緊力過大產(chǎn)生縮頸，螺紋根部因應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致螺栓斷裂；

（3）螺栓因熱處理制度不合理顯微組織不正常，致使螺栓強(qiáng)度和韌性下降，加之螺栓表面加工質(zhì)量不符合要求，從應(yīng)力集中部位啟裂；

（4）高強(qiáng)度螺栓在加工螺紋時(shí)通常采用輥制螺紋，輥制螺紋這一工序應(yīng)在完成熱處理之后進(jìn)行，才能保證螺紋有足夠的壓應(yīng)力，不易產(chǎn)生裂紋，而如果采用車床加工螺紋，會(huì)破壞螺紋流線，降低螺紋強(qiáng)度，且極易留下加工痕跡，從而導(dǎo)致裂紋從加工痕跡處啟裂。

另外，從相關(guān)文獻(xiàn)中還搜集了以下2種常見的螺栓失效形式：

（1）螺栓材料成分偏析，受載后產(chǎn)生脆性斷裂和橫向內(nèi)裂紋，最終導(dǎo)致螺栓斷裂[2]；

（2）螺栓表面有脫碳層，降低了螺栓表面的強(qiáng)度，裂紋源產(chǎn)生在脫碳層上[3]；

要避免風(fēng)電用高強(qiáng)度螺栓斷裂，應(yīng)從螺栓原材料、機(jī)械加工、熱處理、螺紋加工、無損檢查和裝配等各個(gè)環(huán)節(jié)著手?？刂圃牧铣煞制觯瑱C(jī)械加工質(zhì)量要符合規(guī)范要求，嚴(yán)格把好熱處理過程中的控溫、保溫環(huán)節(jié)，嚴(yán)格按照規(guī)范要求的加工工序進(jìn)行螺紋加工，要采用可讀數(shù)的力矩扳手進(jìn)行螺栓裝配。關(guān)鍵部位的螺栓應(yīng)逐件進(jìn)行無損檢查，確保其未帶缺陷運(yùn)行。

[1]崔忠圻,劉北興.金屬學(xué)與熱處理原理[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998

[2]曾振鵬.高強(qiáng)度螺栓斷裂分析[J].理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2002,（12）:559-561

[3]韓志良,馬紅衛(wèi),丁燕君.高強(qiáng)度螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè),2003,（9）:477-480