高強度雙頭螺栓斷裂失效分析
用于固定風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片法蘭盤的10.9級雙頭螺栓，材料為42CrMo鋼，表面達(dá)克羅涂層，該螺栓服役過程中斷裂。
雙頭故障螺栓，斷裂位置位于頭桿結(jié)合部，如圖11-73。
圖11-73 斷裂螺栓殘件宏觀形貌
故障螺栓的斷口宏觀形貌，見圖11-74，斷面下半部平整光亮，有金屬本色，未見明顯塑性變形，斷面可見明顯疲勞條帶，疲勞起源于斷面下部邊緣，疲勞條帶擴(kuò)展面積約占整個斷面的30%。斷口面的上半部較粗糙，為裂紋快速擴(kuò)展區(qū)，呈灰色；上部邊緣為最終瞬斷剪切唇，斷面快速擴(kuò)展區(qū)與剪切唇面積之和大約占斷面面積的70%。由此推斷螺栓斷裂時承受的應(yīng)力較大。
圖11-75所示為螺栓斷口附近桿部的側(cè)面形貌，可見表面存在較嚴(yán)重的損傷銹蝕現(xiàn)象，該區(qū)域位于圖11-80的右面疲勞起源處的外側(cè)。
圖11-76為疲勞弧線在體顯微鏡下的特征，可見斷面邊緣的疲勞弧線在向內(nèi)擴(kuò)展的過程中逐漸結(jié)合成一個大圓弧。
圖11-74斷口宏觀形貌
圖11-75 桿部斷口側(cè)面損傷銹蝕宏觀形貌 圖11-76 桿部斷口疲勞弧線形貌
采用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌，可見疲勞源區(qū)域存在磨損疤痕，未發(fā)現(xiàn)夾雜和冶金缺陷，見圖11-77；圖11-78所示為疲勞擴(kuò)展區(qū)放大后的形貌，可見一系列輪胎印狀疲勞條帶并伴有二次裂紋存在。
圖11-77 疲勞源形貌 圖11-78疲勞條帶及二次裂紋
圖11-79所示為裂紋快速擴(kuò)展區(qū)，表現(xiàn)為解理形貌；圖11-80為最終斷裂的剪切唇區(qū)域的顯微形貌，可見一系列較淺的等軸韌窩。
圖11-79快速擴(kuò)展區(qū)形貌 圖11-80最終斷裂區(qū)韌窩形貌
金相檢查，在斷口附近截取試塊制成金相試樣，金相觀察，螺栓組織為均勻回火索氏體，如圖11-81。
圖11-81 斷口附近顯微組織
力學(xué)性能檢測，分別取斷裂螺栓殘件的螺紋及螺栓部分加工成拉伸試樣和沖擊樣進(jìn)行試驗，檢測結(jié)果表明螺栓的各項性能均符合《GB/T 3098.1-2000》要求。檢測結(jié)果見表11-2。
表11-2 螺栓力學(xué)性能
項目 抗拉強度/MPa 規(guī)定非比例延伸強度RP0.2/MPa 延伸率
/% 斷面收縮率
/% 沖擊吸收功/J
測量值 1070/1060 960/955 17.5/17.5 61/60.5 44.9/44.5
標(biāo)準(zhǔn)值 ≥1040 ≥940 ≥9.0 ≥48.0 ≥20.0
在斷口附近進(jìn)行硬度梯度測試和螺栓表面、心部硬度檢測，檢測結(jié)果表明螺栓的硬度值均符合技術(shù)要求，螺栓表面硬度梯度見圖11-82；心部硬度梯度見圖11-83。
圖11-82 螺栓表面硬度梯度 圖11-83 螺栓心部硬度梯度
用直讀光譜法對螺栓的化學(xué)成分進(jìn)行分析，按《GB/T 3077-1999》標(biāo)準(zhǔn)判定，材料為42CrMo鋼。
螺栓的顯微組織、硬度及力學(xué)性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求。
從螺栓斷口宏觀和微觀分析，螺栓斷口為疲勞斷口，疲勞源位于斷口邊緣部位，該處有明顯損傷痕跡，結(jié)合現(xiàn)場安裝情況分析認(rèn)為，安裝時葉片螺栓安裝孔未能與輪轂安裝孔同心，導(dǎo)致螺栓桿部受輪轂切面磨損，并使螺栓受到剪應(yīng)力作用，并在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中萌發(fā)微裂紋，在交變載荷的作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂。
根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：
（1）螺栓的斷裂是疲勞斷裂；
（2）引起螺栓斷裂的原因是安裝時螺栓安裝孔與輪轂安裝孔未能同心，螺栓桿部受輪轂切面磕碰損傷形成疲勞源，螺栓在交變應(yīng)力下發(fā)生疲勞斷裂。
（3）安裝葉片螺栓時，注意安裝孔應(yīng)與輪轂安裝孔同心，避免螺栓桿部受到損傷和剪應(yīng)力作用。
（3）安裝葉片螺栓時還要注意螺栓的表面質(zhì)量，防止磕碰損傷。
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