法蘭密封螺栓斷裂失效分析

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(淄博市新材料研究所, 淄博 255040)

質(zhì)量控制與失效分析

法蘭密封螺栓斷裂失效分析

韓克甲,曹穎,趙曉輝

(淄博市新材料研究所, 淄博 255040)

通過宏觀檢驗、化學(xué)成分分析、拉伸試驗、硬度試驗、金相檢驗、斷口分析等方法對某批20Cr13鋼法蘭密封螺栓斷裂失效原因進行了分析。結(jié)果表明：由于淬火加熱溫度偏低造成該法蘭密封螺栓顯微組織中存在大量顆粒狀碳化物，部分區(qū)域還存在大量帶狀未溶鐵素體，致使該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，并造成螺栓的強度偏低、硬度分散度大，組織存在嚴重的不均勻性，當螺栓承受正常的工作載荷時，就會在應(yīng)力集中的法蘭密封螺栓螺紋根部沿著鐵素體帶產(chǎn)生裂紋并疲勞擴展，最終導(dǎo)致螺栓斷裂失效。

20Cr13鋼; 螺栓; 疲勞斷裂; 欠熱淬火; 顆粒狀碳化物; 帶狀鐵素體; 硬度

某機械制造廠生產(chǎn)的法蘭密封螺栓，在使用過程中出現(xiàn)多根斷裂現(xiàn)象，斷裂均發(fā)生在螺紋處。該批螺栓材料為20Cr13鋼，規(guī)格為M22 mm×100 mm；其生產(chǎn)工序為：原材料→冷拔→冷鍛成形→螺紋加工→淬火→清洗→回火→表面處理等。筆者對失效螺栓進行了檢驗和分析，以查明其斷裂原因，并提出了改進建議。

1 理化檢驗

1.1宏觀檢驗

宏觀觀察可見，失效螺栓自螺紋底部斷裂，斷裂位置在螺栓與螺母咬合處的螺紋根部。斷口外緣可見明顯的點狀疲勞源，由疲勞源向內(nèi)發(fā)展的疲勞擴展區(qū)可見逐漸粗大的“年輪”狀條紋，裂紋源對側(cè)是脆性斷裂的瞬斷區(qū)，斷口呈典型的疲勞斷裂特征[1]，如圖1所示。沿裂紋源縱向切割制樣后，發(fā)現(xiàn)有一明顯的暗色帶，該暗色帶自裂紋源處斜向指向內(nèi)部，貫穿螺桿截面，其寬度約為2 mm，如圖2所示。

圖2 斷裂螺栓縱向剖面低倍組織形貌Fig.2 Macro structure morphology of longitudinal section of the fractured bolt

1.2化學(xué)成分分析

在失效螺栓斷口附近取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見各元素含量均符合GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》[2]對20Cr13不銹鋼成分的技術(shù)要求。

表1 螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical composition analysis resultsof the bolt (mass fraction) %

1.3拉伸試驗

取同批次3根未斷裂法蘭密封螺栓進行拉伸試驗，試驗結(jié)果取3次測試的平均值。由表2可見，螺栓抗拉強度比標準值偏低，斷后伸長率符合GB/T 3098.6-2014《緊固件機械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》[3]中的相關(guān)技術(shù)要求。

表2 螺栓拉伸試驗結(jié)果Tab.2 Tensile testing results of the bolts

1.4硬度試驗

分別在圖2所示金相試樣的暗色區(qū)域及亮色區(qū)域進行維氏硬度試驗。由表3可見，暗色區(qū)域的硬度比標準值偏低，亮色區(qū)域的硬度符合GB/T 3098.6-2014中的相關(guān)技術(shù)要求。表明螺栓硬度分散度大，存在組織不均勻現(xiàn)象。

表3 螺栓硬度試驗結(jié)果Tab.3 Hardness testing results of the bolt HV10

1.5金相檢驗

將圖2所示的金相試樣在金相顯微鏡下觀察。亮色區(qū)域顯微組織為細密的索氏體+彌散分布的點狀碳化物，見圖3；暗色區(qū)域顯微組織為索氏體+鐵素體+顆粒狀及點狀碳化物[4]，見圖4。暗色區(qū)域中的鐵素體呈帶狀分布，體積分數(shù)約為10%，見圖5，這與該處硬度偏低相吻合。

圖3 亮色區(qū)域顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the light area

圖4 暗色區(qū)域顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the dark area

圖5 暗色區(qū)域顯微組織中的帶狀鐵素體形貌Fig.5 Morphology of the banded ferrite in microstructure of the dark area

1.6斷口分析

將螺栓斷口清洗后放置于掃描電子顯微鏡內(nèi)進行觀察。在圖6中可以清晰地看到由螺紋根部向心部擴展的貝殼狀條紋特征，此為裂紋源特征。圖7為高倍下觀察裂紋源區(qū)斷口形貌，為沿晶+準解理+韌窩混合型斷口。由圖8可見，斷口比較光滑并存在明顯的貝紋線，此為疲勞裂紋擴展區(qū)。由圖9可見撕裂韌窩形貌，此為瞬斷區(qū)[5]。

圖6 裂紋源區(qū)斷口低倍形貌Fig.6 Fracture morphology of crack source area at low magnification

圖7 裂紋源區(qū)斷口高倍形貌Fig.7 Fracture morphology of crack source area at high magnification

圖8 裂紋擴展區(qū)斷口形貌Fig.8 Fracutre morphology of the crack propagation area

圖9 瞬斷區(qū)斷口形貌Fig.9 Fracture morphology of the transient fracture area

2 分析與討論

斷裂失效螺栓化學(xué)成分符合標準技術(shù)要求，但抗拉強度比標準值偏低，且硬度分散度大，部分區(qū)域硬度比標準值偏低。20Cr13鋼正常的調(diào)質(zhì)處理顯微組織應(yīng)為細密均勻的回火索氏體，而失效螺栓的顯微組織中存在較多的顆粒狀碳化物，部分區(qū)域還有大量帶狀未溶鐵素體存在。晶內(nèi)顆粒狀碳化物的存在是由于淬火加熱溫度偏低，奧氏體化不充分，碳化物未被完全溶解造成的，為典型的欠熱淬火組織。顆粒狀碳化物中含有大量的鉻和碳，因此未溶碳化物的含量越少，淬火后基體中的鉻和碳含量就越高，其硬度和強度就越高，耐腐蝕性能也越好。調(diào)質(zhì)處理淬火溫度偏低還會造成大量鐵素體殘留，鐵素體硬度偏低，大量帶狀未溶鐵素體的存在造成基體硬度之間的分散度加大，并導(dǎo)致部分區(qū)域硬度低于標準技術(shù)要求[6]。失效螺栓的抗拉強度和硬度偏低是未溶碳化物和鐵素體兩個因素共同作用的結(jié)果。另外，帶狀分布的鐵素體嚴重割裂了基體組織的連續(xù)性，成為應(yīng)力集中點[7]。設(shè)備或管道在工作狀態(tài)時，介質(zhì)內(nèi)壓形成的軸向力使螺栓被拉伸，螺栓和法蘭都必須要具有足夠高的強度和剛度，當外界施加的軸向力過大時極易使螺栓在應(yīng)力集中處萌生疲勞裂紋，從而導(dǎo)致該法蘭密封螺栓于螺紋根部沿著鐵素體帶產(chǎn)生裂紋并最終斷裂失效。

3 結(jié)論及建議

該法蘭密封螺栓失效模式為疲勞斷裂，主要是因為其淬火加熱溫度偏低，造成螺栓抗拉強度和硬度偏低，且組織不均勻，當外界施加的軸向應(yīng)力大于螺栓強度時，就會在應(yīng)力集中的螺紋根部沿著鐵素體帶產(chǎn)生疲勞裂紋并不斷擴展直至斷裂失效。

建議廠家適當提高淬火加熱溫度，以消除原材料中的帶狀鐵素體組織。

[1] 牛禧,張睿,許先果.40Cr高強螺栓斷裂原因分析[J].熱加工工藝,2012,41(20):217-218,222.

[2] GB/T 1220-2007 不銹鋼棒[S].

[3] GB/T 3098.6-2010 緊固件機械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱[S].

[4] 李炯輝.金屬材料金相圖譜[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[5] 劉俊偉,陳淑貞.高壓容器用螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2012,48(12):834-836,840.

[6] 韓棟,劉道新,劉樹濤.汽輪機低壓轉(zhuǎn)子2Cr13不銹鋼葉片斷裂分析[J].機械工程材料,2007,31(7):45-48.

[7] 吳繼權(quán),趙昆玉,沈創(chuàng)謙.40ACR高強螺栓斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(3):203-205,208.

FailureAnalysisonFractureofFlangeSealingBolts

HANKejia,CAOYing,ZHAOXiaohui

(Zibo New Material Institute, Zibo 255040, China)

Through macrographic examination, chemical composition analysis, tensile test, haedness test, metallographic examination, fracture analysis and other methods, the fracture failure reasons of a batch of 20Cr13 steel flange sealing bolts were analyzed. The results show due to the low quenching temperature, there were a lot of granular carbides in the microstructure of the flange sealing bolts and a lot of banded undissolved ferrite which led to local stress concentration in some areas. At the same time, it also resulted in lower strength, uneven hardness and inhomogeneous microstructure. When the bolts were under normal working lood, cracks would appear and propagate along the banded ferrite at the stress-concentrated thread root, and eventually fracture failure of the bolts happened.

20Cr13 steel; bolt; fatigue fracture; under quenching; granular carbide; banded ferrite; hardness

TH131.3

B

1001-4012(2017)10-0768-03

10.11973/lhjy-wl201710017

2016-08-31

韓克甲(1984-)，男，工程師，學(xué)士,主要從事金屬材料理化測試和失效分析工作，hkjhkj203@163.com