聯(lián)軸螺栓失效分析

盧從義，吳雙輝，丁軍鋒，戚彩夢

(哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江哈爾濱　150040)

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聯(lián)軸螺栓失效分析

盧從義，吳雙輝，丁軍鋒，戚彩夢

(哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江哈爾濱150040)

采用了光譜分析、低倍酸洗、金相、SEM(掃描電子顯微鏡)等手段，對在電站工地現(xiàn)場預(yù)緊加載時(shí)斷裂的某聯(lián)軸螺栓斷裂原因進(jìn)行綜合試驗(yàn)分析。分析結(jié)果得出：斷裂原因是鋪焊后在焊縫熔合區(qū)產(chǎn)生氫致裂紋，同時(shí)焊接熱影響區(qū)存在晶粒粗大的魏氏組織，降低了材料性能，螺栓中心的帶狀組織也降低了材料的綜合性能，使裂紋易于擴(kuò)展，熔合區(qū)的氫脆裂紋在焊接殘余應(yīng)力和預(yù)緊加載力的綜合作用下，由邊緣向螺栓心部發(fā)展，最后失穩(wěn)斷裂。

聯(lián)軸螺栓；斷裂；氫致裂紋；魏氏組織

0　引言

某廠制造了一批尺寸為φ200×1 050 mm，材質(zhì)為35CrMo的聯(lián)軸螺栓鍛件，機(jī)加工至圖紙尺寸交貨。在電站現(xiàn)場安裝預(yù)緊時(shí)其中一根聯(lián)軸螺栓斷裂為兩截。圖1為斷裂位置示意圖，從圖中可以看出斷裂位置位于小直徑向大直徑過渡軸肩R處；圖2為聯(lián)軸螺栓宏觀照片，從圖中可以看出螺栓無明顯的宏觀塑性變形，斷口表面部分發(fā)生銹蝕。

為找出螺栓斷裂的原因，我們對斷裂樣品進(jìn)行了化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織及宏觀斷口、微觀斷口和氫含量分析。通過分析原因，為同批次其他聯(lián)軸螺栓預(yù)防失效提供依據(jù)。

圖1　斷裂位置示意圖

圖2　聯(lián)軸螺栓斷裂宏觀照片

1　試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.1化學(xué)成分分析

采用OXFORD公司ARC-MET8000型直讀光譜儀對斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，其實(shí)測結(jié)果見表1，可以看出，螺栓化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

表1　斷裂螺栓化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果

1.2力學(xué)性能檢測

在斷裂螺栓半徑1/2處取縱向拉伸試樣2件和縱向沖擊試樣3件，拉伸試驗(yàn)在AG-250型萬能電子拉伸機(jī)上進(jìn)行，拉伸試樣為圓柱形光滑拉伸試樣，平行段直徑為φ10 mm；沖擊試驗(yàn)在CBD-300型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，開U形缺口；硬度試驗(yàn)在HB-3000B型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測試結(jié)果如表2所示，符合技術(shù)要求。

表2　螺栓力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

1.3低倍組織分析

在距離螺栓斷口5 mm處截取厚度為6 mm的橫向試片進(jìn)行低倍酸洗試驗(yàn)。在Stemi2000-C型蔡司體式顯微鏡下對酸洗后的試片進(jìn)行低倍形貌觀察，在試片邊緣發(fā)現(xiàn)一圈深度約1 mm的整圈白亮焊接區(qū)，見圖(3a)和圖(3b)；整圈白色亮區(qū)附近有多處小裂紋，裂紋長度平均約4 mm，最大長度約10 mm。這些裂紋均起源于焊縫的熔合區(qū)，見圖(3c)。

圖3　低倍的裂紋宏觀形貌

1.4金相組織檢驗(yàn)

對焊接部位取樣進(jìn)行金相組織分析，圖(4a)位于焊縫接頭位置，從左往右依次為：A區(qū)為母材區(qū)，放大照片見圖(4b) ，金相組織為回火索氏體；B區(qū)為熱影響區(qū)+熔合區(qū)，圖(4c)為熱影響區(qū)的過熱區(qū)，金相組織為回火索氏體+鐵素體+珠光體+魏氏組織，粗晶區(qū)部分晶粒粗大，最大晶粒度可達(dá)3級(jí)；C區(qū)為焊縫區(qū)，放大照片見圖(4d)，金相組織為貝氏體+鐵素體。從金相照片中可以看出，由于焊接時(shí)溫度過高，導(dǎo)致熱影響區(qū)和熔合區(qū)出現(xiàn)魏氏組織，原始奧氏體晶粒長大，這將嚴(yán)重降低熱影響區(qū)的材料性能。

圖4　焊接部位金相組織

對螺栓心部取樣進(jìn)行金相組織分析，螺栓心部未淬透，存在縱向、帶狀分布的鐵素體、珠光體條帶，如圖5所示。有文獻(xiàn)指出，帶狀組織使鋼在垂直于軋制方向的伸長率、斷面收縮率及沖擊值降低[2]。

圖5　螺栓心部金相組織

1.5斷口分析

1.5.1宏觀斷口分析

圖6為帶螺母側(cè)螺栓的斷口形貌，斷口較平整，粗糙，可見閃光小刻面，為典型的脆性斷裂。在斷裂螺栓邊緣處發(fā)現(xiàn)兩處裂紋源見圖6(a)，可見起裂點(diǎn)向四周發(fā)散的放射狀花樣見圖6(b)和圖6(c)。邊緣最外端有剪切唇，為最后瞬斷區(qū)。從斷口的宏觀形貌判斷，裂紋是從邊緣處萌生并向內(nèi)擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定尺寸后，單位面積承載的強(qiáng)度超過材料的抗拉極限，使得最后連接部位瞬間斷裂。

圖6　宏觀斷口照片

1.5.2SEM微觀斷口分析

采用日立S3700型掃描電鏡對源區(qū)附近進(jìn)行微觀斷口分析，如圖7所示，從斷口形貌可以看出典型的“冰糖狀”花樣，并伴有雞爪痕特征，裂紋以沿晶方式進(jìn)行擴(kuò)展。

圖7　微觀斷口形貌

1.6氫含量分析

為確定斷裂螺栓中心附近和鋪焊區(qū)的氫含量情況，在螺栓中心附近和鋪焊區(qū)取樣進(jìn)行氫含量測定，測定結(jié)果如表3所示，氫含量測量結(jié)果表明，焊縫區(qū)的氫含量大于螺栓中心部位。有文獻(xiàn)指出，氫含量超過2.7 ppm時(shí)，金屬材料將會(huì)出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象[1]，鋪焊區(qū)氫含量明顯高于產(chǎn)生氫脆對氫含量的下限要求，表明鋪焊區(qū)有產(chǎn)生氫致裂紋的傾向性。

表3　螺柱不同部位氫含量檢驗(yàn)結(jié)果　ppm

2　斷裂原因分析

由化學(xué)成分分析結(jié)果表明，材料化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求；力學(xué)性能試樣取自半徑1/2處，表明此位置的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可判斷，原材料不是導(dǎo)致該螺栓斷裂的原因。

經(jīng)過低倍酸洗和金相分析后，發(fā)現(xiàn)該螺栓未經(jīng)批準(zhǔn)違規(guī)鋪焊。至此制造廠才承認(rèn)該螺栓經(jīng)過鋪焊的事實(shí)：該廠外購該批螺栓鍛件熱處理后進(jìn)行精加工，由于錯(cuò)誤加工，導(dǎo)致中部尺寸不夠，制造廠違規(guī)在該聯(lián)軸螺栓中部尺寸欠缺區(qū)沿圓周方向鋪焊。同時(shí)，該批螺栓制造時(shí)正處于雨季，空氣濕度大，制造廠未對鋪焊用焊條進(jìn)行烘干，焊后也未進(jìn)行焊后消除殘余應(yīng)力退火，也未進(jìn)行焊接工藝評定。經(jīng)現(xiàn)場TH160型里氏硬度計(jì)驗(yàn)證，斷裂位置左側(cè)鋪焊長度約為40 mm，右側(cè)鋪焊長度約為190 mm。

斷口分析結(jié)果表明，該螺栓斷口附近無明顯塑性變形，斷面較平齊，呈亮灰色，微觀斷口沿晶分離，晶面上伴有雞爪痕，這些都是氫脆的典型斷口形貌[3]。

氫含量分析表明，焊縫區(qū)的氫含量相對于螺栓心部有異常變化，有文獻(xiàn)指出：一般強(qiáng)度螺栓的氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5×10-6mg/kg(5 ppm)即開始產(chǎn)生氫致裂紋[4]。還有文獻(xiàn)認(rèn)為裂紋材料的氫脆開裂是一個(gè)和氫原子擴(kuò)散有關(guān)的過程。在負(fù)載條件下，氫原子將從四周擴(kuò)散到裂紋尖端高應(yīng)力區(qū)，當(dāng)局部濃度達(dá)到臨界值即起始開裂[5]。此螺栓鋪焊區(qū)的氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過此極限值，表明該螺栓起裂原因?yàn)闅浯唷?/p>

焊接時(shí)引入的氫原子一般處于金屬原子之間的空隙中，聚集在晶格中發(fā)生原子錯(cuò)排的位錯(cuò)附近，當(dāng)金屬材料受外力作用時(shí)，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布是不均勻的，在材料外形迅速過渡區(qū)域或在材料內(nèi)部缺陷和微裂紋處會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中。在應(yīng)力梯度作用下氫原子在晶格內(nèi)擴(kuò)散或跟隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)向應(yīng)力集中區(qū)域集聚。由于氫和金屬原子之間的交互作用使金屬原子間的結(jié)合力變?nèi)?，這樣在高氫區(qū)會(huì)萌生出裂紋并擴(kuò)展。該螺栓在應(yīng)力的作用下，處在點(diǎn)陣間隙的氫原子也會(huì)通過擴(kuò)散集中于缺陷所產(chǎn)生的應(yīng)力處，氫原子由于位錯(cuò)的交互作用，使位錯(cuò)線被釘扎住，不能自由活動(dòng)，從而使基體變脆[6]。另外，氫向裂紋聚集時(shí)又吸附在裂紋表面，使表面能降低，從而導(dǎo)致裂紋更容易擴(kuò)展。

本文斷裂螺栓在焊接殘余應(yīng)力和預(yù)緊加載的拉應(yīng)力綜合作用下，氫脆裂紋優(yōu)先在R過渡的應(yīng)力集中處延伸擴(kuò)展；同時(shí)，由于焊接溫度高，導(dǎo)致熱影響區(qū)和熔合區(qū)出現(xiàn)原始奧氏體晶粒粗大和魏氏組織，嚴(yán)重降低了材料性能。由于心部的帶狀組織也降低了材料的綜合性能，在這些因素的共同作用下引起裂紋的迅速擴(kuò)展，隨著螺栓的受力截面越來越小，應(yīng)力也越來越大，最終導(dǎo)致螺栓脆斷失效。

3　結(jié)語

1) 螺栓原材料化學(xué)成分、力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；

2) 螺栓中部外圓表面進(jìn)行了違規(guī)鋪焊，由于焊接操作不當(dāng)，在焊接接頭內(nèi)引入氫，使焊接接頭氫含量異常增加。

3) 螺栓斷裂是由于鋪焊時(shí)產(chǎn)生氫脆裂紋，在焊接殘余應(yīng)力和預(yù)緊加載的拉伸力下優(yōu)先在R過渡的應(yīng)力集中處延伸擴(kuò)展；同時(shí)，材料內(nèi)部出現(xiàn)降低材料的綜合性能的原始奧氏體晶粒粗大、魏氏組織和帶狀組織，引起裂紋的迅速擴(kuò)展，隨著螺栓的受力截面變小，應(yīng)力變大，最終導(dǎo)致螺栓脆斷失效。

4) 建議對此類螺栓增加表面硬度檢測，已確定螺栓表面硬度的均勻性。

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