不锈钢U型螺栓断裂失效机理分析与研究

　　不锈钢U型螺栓断裂失效机理分析与研究

　　进入21世纪，火电厂用水问题日益突出，大力发展空冷机组，可比湿冷机组节约2/3以上的耗水。近年来，空冷风机的安全运行问题一直困扰着电力行业，若空冷风机发生问题而停运，将影响机组的真空，根据经验值，真空每下降 1 000 Pa，发电煤耗将增加 2 g/k W·h，空冷机组的安全稳定运行显得尤为重要。某电厂300MW机组空冷岛风机(图一)发生失效断裂，严重影响了机组安全稳定运行，本文通过对失效的U型螺栓进行了金相、力学等实验，分析了该螺栓失效的原因，同时进行了应力计算，全方面的剖析了失效的机理并给出了建议。

　　1 试验材料与方法

　　1.1试验材料

　　本文研究的失效螺栓的材料为40Cr，运行时间约为5.1万小时，其化学成分见表1-1。拉伸试验为φ5mm的棒状拉伸试样，冲击试验的试样规格为55×10×10mm、U型缺口深度为的2mm。

　　1.2 试样制备

　　用线切割机将断口切割下来，用超声波清洗10min，再用酒精棉球擦拭干净，制备扫描电镜试样;在螺杆部位分别取样制作冲击及拉伸试样，试样不应该有尖锐毛刺等缺陷存在;使用砂轮机将断面打平，并且用不同粗细的砂纸进行研磨，最后使用机械抛光并用4%硝酸酒精腐蚀，制备金相试样。

　　1.3 分析测试方法

　　利用 Zeiss Supra40 型扫描电子显微镜观察断口形貌; 用 MH-3 型显微硬度计测试断口附近硬度，测试硬度梯度时选用的检测加载力为 200 g，加载时间为 5 s，利用台式显微镜进行金相组织观察，使用万能拉伸试验机进行室温拉伸试验，冲击试验在摆锤式冲击试验机上进行。

　　2试验结果与分析

　　2.1断口宏观检查

　　为不锈钢U型螺栓部位宏观形貌，可以清晰的看到，断裂部位为螺纹根部，宏观断面可分为 3 个区域，即疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区。疲劳扩展区断面比较平整，呈浅灰色，瞬断区与横截面约成 45 °，断面粗糙，色泽灰暗。根据疲劳贝纹的分布走向看， 疲劳源在螺纹凹陷处表面，为单一裂纹源。疲劳贝纹间距自下向上逐渐增加，说明从疲劳源开始起裂，疲劳逐渐扩展，速率逐渐增加[[1]]。U型螺栓在长期运行中受叶片重力、离心力等应力作用，裂纹逐渐扩展，有效承载面积逐渐减小，最终瞬间撕裂失效。

　　2.2化学成分分析

　　在螺栓断口附近取样进行化学成分分析，结果见表2-1，结果符合GB/T 3077-1999[[2]]中规定的40Cr的化学成分要求。

　　2.3室温力学性能试验

　　表2-2为螺栓室温拉伸试验结果，由表中可见，样品螺栓的抗拉强度、屈服强度均低于标准GB/T 3077规定值。

　　注：表中GB/T 3077规定40Cr合金屈服强度≥785MPa，而测试过程中无明显屈服现象，记录值规定非比例延伸强度Rp0.2仅做参考。

　　2.4显微硬度试验

　　对1号螺栓分别选取试样进行显微硬度试验，并将显微硬度试验值转换为布氏硬度值，结果见表2-3，从表中可以看出心部硬度明显比边缘高，使得整个螺栓的脆性增加。

　　2.5 显微组织分析

　　2.5.1 断口SEM分析

　　断面各区域不同放大倍数的扫描电镜照片，可见疲劳断口分为疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，对疲劳裂纹扩展区分析发现，疲劳裂纹扩展区分成两个阶段，均以穿晶断裂为主但有不同的微观特征。扩展区的断面粗糙，存在众多高低不平的解理小断面及大小不一的凹坑，如图2-3(c)所示。第二阶段扩展区断面高倍观察可见到与裂纹扩展方向垂直的疲劳辉纹或二次裂纹。疲劳裂纹在试样近表面的材料缺陷处萌生，然后呈扇形向四周扩展。在形成裂纹的夹杂周围，存在半圆形的平整解理区，二者构成宏观意义上的疲劳裂纹源。与裂纹源相邻的为疲劳裂纹第一扩展区，其断面粗糙，由众多高低不平的小断面组成。当裂纹扩展进入第二阶段，断面相对平整，存在与裂纹扩展方向一致的不连续撕裂棱和含第二相粒子的微坑，局部区域可观察到二次裂纹。调质处理的40Cr钢，渗碳体为粒状，分部在板条状的铁素体内。因此，断面微坑中的第二相粒子是粒状渗碳体。裂纹扩展前端与粒状渗碳体相遇时，绕过粒状渗碳体，形成微坑。在撕裂纹之间的相对平整区，高倍观察可见与裂纹扩展方向垂直的疲劳辉纹。

　　断面SEM照片a)起裂区10倍SEM;b) 起裂区500倍SEM;c)扩展区500倍SEM;d) 扩展区区3000倍SEM;e)终断区10倍SEM;f) 终断区500倍SEM图

　　2.5.2 金相组织分析

　　对失效螺栓取样进行侵蚀，并在OLYMPUS GX71型光学显微镜下对螺栓进行显微组织观察，依据《火电厂金相检验与评定技术导则》[[3]]对送检螺栓进行了金相组织分析与评定。断面边缘和心部在不同放大倍数下的金相组织，可以看出，该螺栓心部的组织比边缘粗大，心部组织为回火索氏体+铁素体，边缘组织为细小回火索氏体，粗大的组织和较高的硬度使得材料变脆，同时降低了材料的强度。

　　3螺栓应力计算

　　U型螺栓在复杂工况下受力，主要受到叶片自身重力、离心力等作用，最主要的是在运行过程中的离心力的剪切应力。离心力和向心力大小相等方向相反。根据公式3-1计算单根螺栓所受向心力。

　　F向=mv2/r (3-1)

　　v=2πrn (3-2)

　　其中：v为线速度，M为物体质量。R为物体的运动半径，n为转速。

　　由于风扇叶片并不是均质体，为方便计算，假设其重心在叶片的3/4处，叶片的半径为4.7m，重量为163kg，转速为98.8r/min。将以上数据带入到公式中算得向心力为6.1×104N，U型螺栓受到的切应力约为86.96MPa，略低于螺栓的屈服强度。

　　以上计算是基于圆柱销上的，U型螺栓由于螺栓栓杆上存在着螺纹，这相当于形成了缺口，应力在螺纹根部由于截面的突变形成了应力集中现象。疲劳破坏是螺栓球节点上高强螺栓栓杆常见的破坏形式，而螺栓螺纹处的应力集中对于其的疲劳性能起着决定性影响[[4]]。而且，随着螺栓强度的日益提高材料自身对应力集中和裂纹扩展的敏感性也随之加大，螺栓应力集中问题更为突出[[5]]。螺栓失效破坏的主要原因是螺纹缺口处的应力集中导致疲劳源的产生[[6]]，疲劳裂纹在周期性拉压载荷的作用下逐渐扩展，造成螺栓有效承载面积减小，最终导致螺栓剩余承载面积不足，出现瞬时拉断。