42CrMoA高強(qiáng)連接螺栓材料與斷裂特征

段焱森，何建軍，程慶陽，蒲 珉，舒忠虎，張世浩，羅光武

(1.國家能源集團(tuán)龍源江永風(fēng)力發(fā)電有限公司，長沙 410000；2.長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，長沙 410114；3.西安中科啟航測控技術(shù)有限公司，西安712000)

近年來，隨著大容量風(fēng)電裝機(jī)的快速增長，風(fēng)電機(jī)組的運行安全是風(fēng)電技術(shù)研究的重要熱點問題。葉片與輪轂連接的高強(qiáng)螺栓是風(fēng)力機(jī)組的重要連接部件，在風(fēng)機(jī)在長時間運轉(zhuǎn)過程中的往復(fù)震動會承受復(fù)雜的交替變化載荷[1]，在交變載荷下容易發(fā)生疲勞損傷。風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和運行波動性導(dǎo)致載荷復(fù)雜交變，葉片的震動以及運轉(zhuǎn)也會使得作用于螺栓表面力的作用點和方向是隨時多變的，長時間交變載荷造成高頻疲勞損傷。服役期間的螺栓發(fā)生疲勞損傷早期沒有明顯的宏觀塑性變形[2]，難以通過外部檢測發(fā)現(xiàn)，然而，疲勞損傷累積導(dǎo)致的突然斷裂，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。因此，開展螺栓的高頻疲勞損傷行為研究具有重要的工程應(yīng)用價值。

由于風(fēng)力發(fā)電的波動性，風(fēng)機(jī)葉片高強(qiáng)連接螺栓在周期性運轉(zhuǎn)過程中的載荷十分復(fù)雜。當(dāng)前的螺栓斷裂分析研究主要是事后分析，包括螺栓預(yù)緊力、裝配方法、放松措施等現(xiàn)場工藝因素[5-6]，以及從斷口分析、理化檢驗等材質(zhì)因素[7-10]，這些研究主要集中在螺栓斷裂后斷面斷裂特征和螺栓載荷模型等方面，采用的數(shù)據(jù)一般來自風(fēng)機(jī)運行數(shù)據(jù)和整機(jī)參數(shù)，缺乏針對螺栓的疲勞實驗設(shè)計；現(xiàn)場的斷裂分析研究難以涉及螺栓的疲勞損傷過程和材料組織結(jié)構(gòu)演變特征，缺乏螺栓材料進(jìn)行疲勞實驗數(shù)據(jù)的對比支撐，難以準(zhǔn)確反映螺栓在運行過程中的損傷過程和損傷機(jī)制。

特定條件下的疲勞實驗是研究螺栓損傷行為的重要方法[11]，Yilmaz等[12]分析了高強(qiáng)度鋼螺栓連接在典型疲勞加載模式下的疲勞性能。Poovakaud等[13]通過開發(fā)的簡單模型，研究了高強(qiáng)度連接螺栓中接觸表面的疲勞損傷機(jī)制。Yang等[14-15]進(jìn)行了恒定振幅疲勞試驗，研究了在不同應(yīng)力范圍下網(wǎng)架螺栓球中M22高強(qiáng)度螺栓的疲勞破壞特性。該些研究主要談?wù)撛谀撤N特定實驗參數(shù)下的螺栓疲勞，而螺栓在實際工況載荷模式下的疲勞響應(yīng)，需要通過設(shè)定不同載荷條件的高頻疲勞試驗來反映[16]。結(jié)合風(fēng)機(jī)葉片螺栓運行工況和交變載荷特點，開展對高強(qiáng)螺栓材料的高頻疲勞試驗，綜合研究不同加載條件下螺栓材料的疲勞性能及斷裂特征，研究結(jié)果對揭示風(fēng)機(jī)螺栓損傷失效機(jī)制、高性能螺栓制備、以及風(fēng)電場安全運行具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價值。

1 實驗材料與方案

1.1 實驗材料

實驗材料選某風(fēng)電場2 MW風(fēng)機(jī)葉片所用的全新高強(qiáng)度連接螺栓，如圖1所示。螺栓直徑Φ36 mm(M36)，性能等級10.9級，材料為42CrMoA鋼。

對螺栓取樣進(jìn)行成分分析，檢驗結(jié)果如表1所示，螺栓中成分均符合GB/T 3077—1999標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 螺栓材料的化學(xué)成分

1.2 實驗方法

1.2.1 試樣制備

根據(jù)JJG 556—2011《軸向加荷疲勞試驗機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣制備，試驗采用PLG-50高頻疲勞試驗機(jī)，按照圖2標(biāo)準(zhǔn)將螺栓材料加工成標(biāo)準(zhǔn)高頻實驗試樣。試樣等截面試驗段長度25 mm，試驗段直徑5 mm。

圖2 高頻疲勞試樣加工圖

1.2.2 實驗方案

實驗選擇使用PLG-50高頻疲勞試驗機(jī)，在對試樣進(jìn)行疲勞試驗的同時，試驗機(jī)的激振器會在試驗過程中產(chǎn)生震動，用來模擬風(fēng)機(jī)葉根部螺栓在實際運行時的受力特性。根據(jù)螺栓樣品的機(jī)械性能以及試驗機(jī)的施加負(fù)荷范圍，確定4種不同載荷應(yīng)力水平開展進(jìn)行疲勞測試。1#～4#組實驗中施加振幅設(shè)定為2 kN，施加平均負(fù)荷依次為10.71、12.71、14.71、16.71 kN。此外添加5#組試驗與1#組試驗進(jìn)行對比，在相同最大負(fù)載條件下(與1#試樣最大載荷相同)，5#試樣施加平均負(fù)荷為7.71 kN，施加振幅5 kN，研究振幅對試樣疲勞損傷的影響。在75 Hz頻率的恒定振幅正弦負(fù)載下測試試樣，在疲勞測試過程中將其保持在彈性狀態(tài)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 高頻疲勞試驗結(jié)果

2.1.1 不同載荷下試樣高頻疲勞試驗結(jié)果

不同載荷下疲勞試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同載荷下試樣高頻疲勞試驗結(jié)果

疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命之間的關(guān)系通常由應(yīng)力-疲勞壽命(S-N)曲線描述。以平均加載應(yīng)力為參數(shù),S-N的經(jīng)驗方程冪函數(shù)形式的曲線為

N(ΔσAVG)m=C

(1)

式(1)中：ΔσAVG為所施加平均負(fù)荷產(chǎn)生的應(yīng)力；C和m為不確定的參數(shù)，可以從疲勞測試數(shù)據(jù)獲得。對數(shù)形式的S-N曲線表達(dá)式為

lgN=-mlg(ΔσAVG)+lgC

(2)

通過以ΔσAVG為參數(shù)疲勞試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，42CrMoA高強(qiáng)度螺栓材料的對數(shù)形式疲勞S-N曲線如圖3所示。

圖3 以lgσAVG為參數(shù)的對數(shù)回歸曲線

可以看出，相關(guān)系數(shù)R=0.95，說明所有的測試數(shù)據(jù)均具有良好的擬合度，并符合施加的平均應(yīng)力越低，疲勞時間越長的趨勢。另外，通過計算疲勞試驗數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，可以得出42CrMoA高強(qiáng)度螺栓材料的對數(shù)形式S-N曲線方程為

lgN=26.265-6.987lg(ΔσAVG)

(3)

2.1.2 不同振幅下試樣高頻疲勞試驗結(jié)果

不同振幅下疲勞試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同振幅的高頻疲勞試驗結(jié)果

2.2 螺栓材料的斷裂特征

2.2.1 不同載荷下的材料斷裂特征分析

試樣的疲勞破壞發(fā)生在均勻試驗段的起始端，如圖4所示。斷口呈現(xiàn)兩種不同形貌?？梢猿醪娇闯觯?#試樣斷口呈現(xiàn)典型疲勞形貌，有較為明顯的分區(qū)。從4#試樣斷口處可看到斷口處材料頸縮明顯，斷口呈杯錐狀且不平整，疲勞分區(qū)不明顯。

圖4 試樣斷裂位置及斷口外觀圖

斷裂試樣斷裂面形貌的掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)照片如圖5、圖6所示。裂紋萌生通常發(fā)生在試樣根部的表面，由圖5(a)可知，裂紋起源于三個不同的疲勞源區(qū)，不同區(qū)域的裂紋擴(kuò)展相遇后形成峰，峰線交匯于疲勞瞬斷區(qū)起始位置。在圖5(a)中A位置放大觀察，如圖5(b)所示，疲勞源區(qū)相對較光滑且呈深色，沿箭頭方向向試樣內(nèi)部衍生出類似海灘的痕跡。在B位置放大觀察后發(fā)現(xiàn)，如圖5(c)中所示，裂紋大致平行，朝二次裂紋的相同方向(箭頭方向)延伸，并垂直于裂紋擴(kuò)展方向。隨著裂紋的擴(kuò)展，由于材料的破壞，試樣的有效承載面積減小，殘余部分的應(yīng)力逐漸增加，導(dǎo)致試樣突然斷裂，在試樣表面產(chǎn)生瞬斷區(qū)，如圖5(d)所示。在此區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)疲勞條紋和凹痕的混合形態(tài)，并且相對粗糙，包含粗顆粒以及大量凹坑。

圖5 3# 試樣斷面SEM分析

圖6(a)中，試樣斷面呈杯錐狀且不平整，表現(xiàn)為多點起裂的撕裂斷口，觀察到斷口中出現(xiàn)有塑性變形的孔洞，如圖6(b)中虛線所示。放大倍數(shù)觀察到撕裂裂口內(nèi)存在片狀及條狀組織結(jié)構(gòu)，且裂口附近組織出現(xiàn)較多微孔，如圖6(c)中所示。在圖6(d)中發(fā)現(xiàn)靠近試樣表面部分材料組織表面存在絮狀條紋，呈海灘跡象向試樣內(nèi)部延伸，分析為疲勞裂紋，但觀察不到明顯的疲勞分區(qū)，造成這一現(xiàn)象是由于材料承載載荷過大，疲勞行為還未來得及進(jìn)一步擴(kuò)展，材料組織在處于雙向應(yīng)力作用下，在夾雜物或第二相粒子周圍的位錯環(huán)發(fā)生堆積，并在沉淀相、夾雜物與金屬界面處分離，造成撕裂裂口導(dǎo)致試樣斷裂，與4#試樣的斷口宏觀形貌特征相符。

圖6 4#試樣斷面SEM分析

2.2.2 不同振幅下的材料斷裂特征分析

可以看出，在增大振幅后，試樣疲勞壽命明顯減低，觀察5#試樣斷口，如圖7(a)所示。試樣為疲勞斷裂，可以觀察到斷面疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)分界明顯。對試樣斷面進(jìn)行SEM如圖7(b)所示，斷裂面都存在兩個疲勞源(A區(qū))。初始裂紋起源于螺紋的根部表面，然后沿箭頭方向向試樣內(nèi)部延伸。裂紋擴(kuò)展區(qū)(B區(qū))相對平坦且光滑，并且可以觀察到較亮的顏色和殼狀線。在從延伸區(qū)到當(dāng)前斷裂區(qū)的過渡處，斷裂面開始變得粗糙。在瞬時斷裂區(qū)域(C區(qū))中，斷裂表面粗糙且呈不規(guī)則晶體形狀，裂紋擴(kuò)展減小了試樣的有效承載面積，從而導(dǎo)致剩余截面上的應(yīng)力逐漸增加，由于殘余部分不足以抵抗由外部載荷引起的應(yīng)力，因此樣品出現(xiàn)了最終的瞬時斷裂。將5#試樣疲勞斷面與圖5(a)中的3#試樣疲勞斷面進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，5#試樣中的斷面裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的面積比較為更大，說明較高的振幅會導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展區(qū)域的面積變小，瞬斷區(qū)的面積會成比例地增加，也就說明了在較高的應(yīng)力變化范圍下，螺栓的裂紋擴(kuò)展周期較短，螺栓疲勞壽命較低，更容易發(fā)生斷裂失效。

圖7 5# 高頻疲勞試樣斷裂位置及斷口形貌圖

3 結(jié)論

風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和運行波動性導(dǎo)致載荷復(fù)雜交變，長時間交變載荷造成高頻疲勞損傷。對2 MW風(fēng)力機(jī)葉片上所用42CrMoA高強(qiáng)連接螺栓材料的疲勞性能與斷裂特征進(jìn)行研究，探討了螺栓材料的失效機(jī)理以及疲勞損傷的發(fā)展過程，研究結(jié)果表明，在對試樣施加的等幅遞增的應(yīng)力試驗中，650 MPa載荷下6.444 9×106周此后螺栓尚未斷裂，750 MPa載荷下的疲勞壽命達(dá)1.056 4×106周次；其次根據(jù)所得試驗數(shù)據(jù)擬合出螺栓的高頻疲勞S-N曲線方程為lgN=26.265-6.987lg(ΔσAVG)；螺栓的高頻疲勞損傷具有多疲勞裂紋起源區(qū)特征，螺栓斷裂是由于多源裂紋交匯后形成峰線所導(dǎo)致；在相同的最大應(yīng)力加載下，應(yīng)力振幅越高，裂紋擴(kuò)展速率越大，高頻疲勞壽命越低。研究結(jié)果對揭示風(fēng)機(jī)螺栓損傷斷裂原因和風(fēng)機(jī)安全運行具有重要意義。