不銹鋼U型螺栓斷裂失效機理分析與研究

　　進入21世紀，火電廠用水問題日益突出，大力發展空冷機組，可比濕冷機組節約2/3以上的耗水。近年來，空冷風機的安全運行問題一直困擾著電力行業，若空冷風機發生問題而停運，將影響機組的真空，根據經驗值，真空每下降 1 000 Pa，發電煤耗將增加 2 g/k W·h，空冷機組的安全穩定運行顯得尤為重要。某電廠300MW機組空冷島風機(圖一)發生失效斷裂，嚴重影響了機組安全穩定運行，本文通過對失效的U型螺栓進行了金相、力學等實驗，分析了該螺栓失效的原因，同時進行了應力計算，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，并且用不同粗細的砂紙進行研磨，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，利用臺式顯微鏡進行金相組織觀察，使用萬能拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗，沖擊試驗在擺錘式沖擊試驗機上進行。

　　2試驗結果與分析

　　2.1斷口宏觀檢查

　　為不銹鋼U型螺栓部位宏觀形貌，可以清晰的看到，斷裂部位為螺紋根部，宏觀斷面可分為 3 個區域，即疲勞源區、疲勞擴展區和瞬斷區。疲勞擴展區斷面比較平整，呈淺灰色，瞬斷區與橫截面約成 45 °，斷面粗糙，色澤灰暗。根據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化學成分分析

　　在螺栓斷口附近取樣進行化學成分分析，結果見表2-1，結果符合GB/T 3077-1999[[2]]中規定的40Cr的化學成分要求。

　　2.3室溫力學性能試驗

　　表2-2為螺栓室溫拉伸試驗結果，由表中可見，樣品螺栓的抗拉強度、屈服強度均低于標準GB/T 3077規定值。

　　注：表中GB/T 3077規定40Cr合金屈服強度≥785MPa，而測試過程中無明顯屈服現象，記錄值規定非比例延伸強度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行顯微硬度試驗，并將顯微硬度試驗值轉換為布氏硬度值，結果見表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

　　斷面各區域不同放大倍數的掃描電鏡照片，可見疲勞斷口分為疲勞裂紋源區、疲勞裂紋擴展區和瞬時斷裂區，對疲勞裂紋擴展區分析發現，疲勞裂紋擴展區分成兩個階段，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，如圖2-3(c)所示。第二階段擴展區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，二者構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，其斷面粗糙，由眾多高低不平的小斷面組成。當裂紋擴展進入第二階段，斷面相對平整，存在與裂紋擴展方向一致的不連續撕裂棱和含第二相粒子的微坑，局部區域可觀察到二次裂紋。調質處理的40Cr鋼，滲碳體為粒狀，分部在板條狀的鐵素體內。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，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10倍SEM;b) 起裂區500倍SEM;c)擴展區500倍SEM;d) 擴展區區3000倍SEM;e)終斷區10倍SEM;f) 終斷區500倍SEM圖

　　2.5.2 金相組織分析

　　對失效螺栓取樣進行侵蝕，并在OLYMPUS GX71型光學顯微鏡下對螺栓進行顯微組織觀察，依據《火電廠金相檢驗與評定技術導則》[[3]]對送檢螺栓進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螺栓應力計算

　　U型螺栓在復雜工況下受力，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力。離心力和向心力大小相等方向相反。根據公式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為物體質量。R為物體的運動半徑，n為轉速。

　　由于風扇葉片并不是均質體，為方便計算，假設其重心在葉片的3/4處，葉片的半徑為4.7m，重量為163kg，轉速為98.8r/min。將以上數據帶入到公式中算得向心力為6.1×104N，U型螺栓受到的切應力約為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，這相當于形成了缺口，應力在螺紋根部由于截面的突變形成了應力集中現象。疲勞破壞是螺栓球節點上高強螺栓栓桿常見的破壞形式，而螺栓螺紋處的應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力集中和裂紋擴展的敏感性也隨之加大，螺栓應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力集中導致疲勞源的產生[[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，最終導致螺栓剩余承載面積不足，出現瞬時拉斷。