10.9级高强螺栓头部断裂原因分析……
10.9级高强螺栓头部断裂原因分析……
摘要：通过宏观检验、化学成分分析、力学性能试验、金相检验及能谱分析等方法对10.9级高强螺栓断裂原因进行了分析。结果表明：在螺栓镦头成型工序中，头部尺角部位产生折叠微裂纹，形成了早期裂纹源；在服役过程中，螺栓长期受交变工作应力作用，使得微裂纹进一步扩展，最终导致高周疲劳断裂。最后提出了相应的预防措施。
螺栓连接是塔筒、齿轮箱、叶片、发电机等众多风电设备基础构件的一种重要紧固方式，螺栓的安全性与可靠性影响着整个风力发电机的使用寿命。风机塔筒是风力发电机的塔杆，主要起支撑作用，同时可以吸收机组振动，多节塔筒通过高强螺栓连接紧固后达到预定高度。
某风场于2013年初使用精度检定合格的定扭力扳手安装了风机塔筒法兰螺栓，安装扭矩为5800 Nm。2016年5月，塔筒爬梯位置附近的1 根螺栓断裂于头部。该螺栓规格为M48mmX310mm ，级别为10. 9级，批号为1204,材料为42CrM〇A 钢。螺栓主要生产工艺为:退火—拉拔—下料一镦头成型— 热处理(调质，具体参数不详)—滚丝—达克罗。
为查明该螺栓的断裂原因，加强对其安全性和可靠性的控制，消除安全隐患，保证风机正常、平稳的运行，笔者通过一系列理化检验方法对其断裂原因进行了分析。
1、宏观检验
断裂螺栓的宏观形貌如图1所示。可见螺栓断裂于头部只角部位，螺杆及螺纹部位未见明显的塑性变形。由图2可见，断口宏观形貌较平整，整体呈灰色，局部有斑点状诱蚀痕迹;可明显观察到裂纹源区、裂纹扩展区及瞬断区。
裂纹起源于头部角部位，根据源区特征，将其分为A，B两区，见图3a)。裂纹源A 区呈黑褐色弧形特征，长度约为7mm ,最深处约为3mm。扩展弧线较浅，间距小，呈浪花状向螺栓心部扩展。裂纹源B区出现台阶，扩展弧线呈放射状向心部扩展，弧线间距较大。从断口侧面可见，裂纹源区存在损伤痕迹，损伤表面断口较新鲜，判定为断后损伤，见图3b)。裂纹扩展区约占断口面积的90% ，贝壳纹清晰可见。瞬断区约占断口面积的10% ，呈剪切特征。
综上所述可以判断，该螺栓的断裂机制为疲劳断裂。断口裂纹扩展区面积较大，瞬断区面积较小，说明螺栓在服役条件下名义工作应力较低。从扩展弧线形状可知，裂纹起源时存在中等应力集中现象。从裂纹源A，B区的扩展弧线特征及扩展距离可见，裂纹起源于A 区并缓慢扩展，在此过程中，B区裂纹萌生，两区裂纹汇合后同时向心部扩展。
2、化学成分分析
从螺栓断口下方30mm处取样进行化学成分分析，检测结果见表1。可见该断裂螺栓的化学成分符合GB/T3077—2015《合金结构钢》对42CrM〇A钢成分的要求。
3、力学性能试验
在断裂螺栓上截取拉伸试样、冲击试样进行力学性能试验。取样位置位于D/4处（D为螺栓直径），试验结果见表2 。可见断裂螺栓的力学性能(屈服强度、抗拉强度、断面收缩率、断后伸长率、冲击吸收能量、洛氏硬度）符合GB/T 3098.1 —2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》的技术要求。
4、金相检验
分别从螺栓心部和裂纹源A，B处沿纵截面取样，按GB/T13298—2015《金属显微组织检验方法》制样，随后置于光学显微镜下观察。裂纹源A处的微观形貌见图4和图5。从抛光态形貌可见，在距断口表面约200um处，存在平行于断口的微裂纹，裂纹较宽且间隙中填满了致密氧化皮。采用4%(体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀后可见，R角表面存在不完全脱碳现象，脱碳层深度约为105um 。裂纹主要以穿晶方式扩展，两侧未见脱碳现象。裂纹源B处的微观形貌见图6和图7，从抛光态形貌可见，断口下方存在两条微裂纹，裂纹形态崎岖，略有分叉，且裂纹中间略宽于两边，其中填满了致密氧化皮。浸蚀后可见，R角表面同样存在不完全脱碳现象，裂纹穿晶扩展，两侧未见脱碳现象。
根据GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定-标准评级图显微检验法》中的实际检验A 法进行非金属夹杂物级别评定，螺栓心部的非金属夹杂物级别为八0.5,30,0)，00.5，材料纯净度良好。螺栓心部显微组织为回火索氏体+少量铁素体，属正常组织。
综上所述可见，螺栓心部显微组织及非金属夹杂物级别均正常。微裂纹形态不一，略有分叉，裂纹源表面及微裂纹间隙中均存在氧化皮，说明该裂纹可能产生于镦头成型或热处理工序中。氧化皮致密且近乎封闭于尺角表面，可推断出该裂纹为镦头成型过程中形成的氧化皮折叠类缺陷。
5、低倍检验
在螺栓头部沿纵向截取试样，在断口下方沿横向截取试样，根据GB/T226— 2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》，经磨抛后使用体积比为1:1的工业盐酸水溶液进行热酸蚀试验。螺栓头部流线清晰随形，无明显的锻造缺陷，见图8。与GB/T1979—2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》中的评级图对比，断裂螺栓低倍组织缺陷评定级别为中心疏松0.5级，一般疏松0.5级，见图9。
6、断口形貌及微区成分分析
将螺栓断口清洗后置于扫描电子显微镜(SEM)下进行微观形貌观察W 。裂纹源A 处存在半弧形暗黑色痕迹，疲劳贝纹线由黑色部位向四周扩展，放大后可见该部位发生了氧化，无明显断裂特征，见图10。裂纹源B处存在疲劳台阶，未见明显缺陷，见图11。裂纹扩展区有明显的疲劳辉纹，辉纹细腻紧密，说明裂纹扩展速度较慢，呈高周疲劳特征，见图12。
使用能谱仪对裂纹源A处进行微区成分分析，结果见图13。裂纹源A处半弧形黑色区域主要含有铁和氧两种元素，即断口表面物质以氧化物为主。
该10.9级高强螺栓的断裂机制为高周疲劳断裂，其疲劳性能主要有以下几个影响因素：
(1)材料成分及性能。螺栓的化学成分、力学性能均符合GB/T3098.1_2010中对10.9级螺栓的技术要求。螺栓非金属夹杂物级别及心部显微组织均正常，表明该螺栓的材料性能较好，对螺栓疲劳性能的影响较小。
(2)表面状态。由于疲劳裂纹一般都产生在零件的表面，故表面状态的优劣对材料疲劳性能有较大的影响。表面状态越差，应力集中源越多，裂纹产生和扩展的越早，疲劳强度越低。该断裂螺栓在R角部位存在折叠微裂纹，降低了螺栓承载的截面积。同时，微裂纹的存在加剧了螺栓头部R角部位的应力集中现象，从而形成了早期裂纹源。
(3)加载方式及环境介质。该螺栓用于连接风机塔筒法兰，长期承受振动应力，应力大小主要与塔筒所受风频有关。当风频较高时，螺栓处于循环交变应力作用下，这为疲劳裂纹的扩展提供了有效的动力源。
对螺栓生产线调研发现，在镦头成型工序中，螺栓的加热方式为局部感应。但在加热过程中，夹持螺栓的夹具也会升温，因此需要对夹具进行实时冷却。当外部振动或工人操作不慎时，冷却夹具的水可能会飞溅到螺栓上，使其头部表面形成氧化皮。随后在镦头时，角部位的氧化皮因流线的改变折叠到螺栓次表面，形成了折叠缺陷。
该10.9级螺栓断裂机制为高周疲劳断裂。裂纹源为头部尺角部位的折叠微裂纹，该裂纹产生于螺栓镦头成型工序中。在服役过程中，螺栓长期受交变工作应力作用，导致微裂麵一步扩展，最终造成断裂。建议加强螺栓镦头工艺过程的控制，改变镦头成型工序中夹具的冷却方式，由外部冷却改为内部冷却，以减少尺角部位形成氧化皮的可能性;加强对服役螺栓的定期维护与检修，防止螺栓出现松动，从而减小附加交变应力的影响。
粤顺昌摘自华人螺纹网