不銹鋼U型螺栓斷裂失效機理分析與研究

　　進(jìn)入21世紀(jì)，火電廠用水問題日益突出，大力發(fā)展空冷機組，可比濕冷機組節(jié)約2/3以上的耗水。近年來，空冷風(fēng)機的安全運行問題一直困擾著電力行業(yè)，若空冷風(fēng)機發(fā)生問題而停運，將影響機組的真空，根據(jù)經(jīng)驗值，真空每下降 1 000 Pa，發(fā)電煤耗將增加 2 g/k W·h，空冷機組的安全穩(wěn)定運行顯得尤為重要。某電廠300MW機組空冷島風(fēng)機(圖一)發(fā)生失效斷裂，嚴(yán)重影響了機組安全穩(wěn)定運行，本文通過對失效的U型螺栓進(jìn)行了金相、力學(xué)等實驗，分析了該螺栓失效的原因，同時進(jìn)行了應(yīng)力計算，全方面的剖析了失效的機理并給出了建議。

　　1 試驗材料與方法

　　1.1試驗材料

　　本文研究的失效螺栓的材料為40Cr，運行時間約為5.1萬小時，其化學(xué)成分見表1-1。拉伸試驗為φ5mm的棒狀拉伸試樣，沖擊試驗的試樣規(guī)格為55×10×10mm、U型缺口深度為的2mm。

　　1.2 試樣制備

　　用線切割機將斷口切割下來，用超聲波清洗10min，再用酒精棉球擦拭干凈，制備掃描電鏡試樣;在螺桿部位分別取樣制作沖擊及拉伸試樣，試樣不應(yīng)該有尖銳毛刺等缺陷存在;使用砂輪機將斷面打平，并且用不同粗細(xì)的砂紙進(jìn)行研磨，最后使用機械拋光并用4%硝酸酒精腐蝕，制備金相試樣。

　　1.3 分析測試方法

　　利用 Zeiss Supra40 型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌; 用 MH-3 型顯微硬度計測試斷口附近硬度，測試硬度梯度時選用的檢測加載力為 200 g，加載時間為 5 s，利用臺式顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，使用萬能拉伸試驗機進(jìn)行室溫拉伸試驗，沖擊試驗在擺錘式?jīng)_擊試驗機上進(jìn)行。

　　2試驗結(jié)果與分析

　　2.1斷口宏觀檢查

　　螺栓斷裂部位宏觀形貌，斷裂部位為螺紋根部，宏觀斷面可分為 3 個區(qū)域，即疲勞源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。疲勞擴展區(qū)斷面比較平整，呈淺灰色，瞬斷區(qū)與橫截面約成 45 °，斷面粗糙，色澤灰暗。根據(jù)疲勞貝紋的分布走向看， 疲勞源在螺紋凹陷處表面，為單一裂紋源。疲勞貝紋間距自下向上逐漸增加，說明從疲勞源開始起裂，疲勞逐漸擴展，速率逐漸增加[[1]]。U型螺栓在長期運行中受葉片重力、離心力等應(yīng)力作用，裂紋逐漸擴展，有效承載面積逐漸減小，最終瞬間撕裂失效。

　　2.2化學(xué)成分分析

　　在螺栓斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2-1，結(jié)果符合GB/T 3077-1999[[2]]中規(guī)定的40Cr的化學(xué)成分要求。

　　2.3室溫力學(xué)性能試驗

　　表2-2為螺栓室溫拉伸試驗結(jié)果，由表中可見，樣品螺栓的抗拉強度、屈服強度均低于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077規(guī)定值。

　　注：表中GB/T 3077規(guī)定40Cr合金屈服強度≥785MPa，而測試過程中無明顯屈服現(xiàn)象，記錄值規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2僅做參考。

　　2.4顯微硬度試驗

　　對1號螺栓分別選取試樣進(jìn)行顯微硬度試驗，并將顯微硬度試驗值轉(zhuǎn)換為布氏硬度值，結(jié)果見表2-3，從表中可以看出心部硬度明顯比邊緣高，使得整個螺栓的脆性增加。

　　2.5 顯微組織分析

　　2.5.1 斷口SEM分析

　　斷面各區(qū)域不同放大倍數(shù)的掃描電鏡照片，可見疲勞斷口分為疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)，對疲勞裂紋擴展區(qū)分析發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋擴展區(qū)分成兩個階段，均以穿晶斷裂為主但有不同的微觀特征。

　　擴展區(qū)的斷面粗糙，存在眾多高低不平的解理小斷面及大小不一的凹坑。

　　第二階段擴展區(qū)斷面高倍觀察可見到與裂紋擴展方向垂直的疲勞輝紋或二次裂紋。

　　疲勞裂紋在試樣近表面的材料缺陷處萌生，然后呈扇形向四周擴展。在形成裂紋的夾雜周圍，存在半圓形的平整解理區(qū)，二者構(gòu)成宏觀意義上的疲勞裂紋源。與裂紋源相鄰的為疲勞裂紋第一擴展區(qū)，其斷面粗糙，由眾多高低不平的小斷面組成。

　　當(dāng)裂紋擴展進(jìn)入第二階段，斷面相對平整，存在與裂紋擴展方向一致的不連續(xù)撕裂棱和含第二相粒子的微坑，局部區(qū)域可觀察到二次裂紋。

　　調(diào)質(zhì)處理的40Cr鋼，滲碳體為粒狀，分部在板條狀的鐵素體內(nèi)。

　　因此，斷面微坑中的第二相粒子是粒狀滲碳體。裂紋擴展前端與粒狀滲碳體相遇時，繞過粒狀滲碳體，形成微坑。在撕裂紋之間的相對平整區(qū)，高倍觀察可見與裂紋擴展方向垂直的疲勞輝紋。

　　斷面SEM照片a)起裂區(qū)10倍SEM;b) 起裂區(qū)500倍SEM;c)擴展區(qū)500倍SEM;d) 擴展區(qū)區(qū)3000倍SEM;e)終斷區(qū)10倍SEM;f) 終斷區(qū)500倍SEM

　　2.5.2 金相組織分析

　　對失效螺栓取樣進(jìn)行侵蝕，并在OLYMPUS GX71型光學(xué)顯微鏡下對螺栓進(jìn)行顯微組織觀察，依據(jù)《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》[[3]]對送檢螺栓進(jìn)行了金相組織分析與評定。

　　斷面邊緣和心部在不同放大倍數(shù)下的金相組織，可以看出，該螺栓心部的組織比邊緣粗大，心部組織為回火索氏體+鐵素體，邊緣組織為細(xì)小回火索氏體，粗大的組織和較高的硬度使得材料變脆，同時降低了材料的強度。

　　3螺栓應(yīng)力計算

　　U型螺栓在復(fù)雜工況下受力，主要受到葉片自身重力、離心力等作用，最主要的是在運行過程中的離心力的剪切應(yīng)力。離心力和向心力大小相等方向相反。根據(jù)公式3-1計算單根螺栓所受向心力。

　　F向=mv2/r (3-1)

　　v=2πrn (3-2)

　　其中：v為線速度，M為物體質(zhì)量。R為物體的運動半徑，n為轉(zhuǎn)速。

　　由于風(fēng)扇葉片并不是均質(zhì)體，為方便計算，假設(shè)其重心在葉片的3/4處，葉片的半徑為4.7m，重量為163kg，轉(zhuǎn)速為98.8r/min。將以上數(shù)據(jù)帶入到公式中算得向心力為6.1×104N，U型螺栓受到的切應(yīng)力約為86.96MPa，略低于螺栓的屈服強度。

　　以上計算是基于圓柱銷上的，U型螺栓由于螺栓栓桿上存在著螺紋，這相當(dāng)于形成了缺口，應(yīng)力在螺紋根部由于截面的突變形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象。疲勞破壞是螺栓球節(jié)點上高強螺栓栓桿常見的破壞形式，而螺栓螺紋處的應(yīng)力集中對于其的疲勞性能起著決定性影響[[4]]。而且，隨著螺栓強度的日益提高材料自身對應(yīng)力集中和裂紋擴展的敏感性也隨之加大，螺栓應(yīng)力集中問題更為突出[[5]]。螺栓失效破壞的主要原因是螺紋缺口處的應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞源的產(chǎn)生[[6]]，疲勞裂紋在周期性拉壓載荷的作用下逐漸擴展，造成螺栓有效承載面積減小，最終導(dǎo)致螺栓剩余承載面積不足，出現(xiàn)瞬時拉斷。

　　4結(jié)論

　　不銹鋼U型螺栓在復(fù)雜工況下受力，螺紋根部等應(yīng)力集中部位易產(chǎn)生裂紋等缺陷，在葉片自身重力、向心力、離心力等作用下，缺陷逐漸向外擴展，造成螺栓有效承載面積減小，使得有效承載面積不足，直至斷裂，斷口處有明顯疲勞斷裂的特征。