雙頭螺柱斷裂分析

朱玲，翁秀明，張武鋒，王利峰

（1.江蘇省機械研究設計院有限責任公司，江蘇南京210012;2.江蘇省理化檢測委員會，江蘇南京 210012）

0 引言

風力發電機齒輪箱上使用的M30×280 mm雙頭螺柱在安裝擰緊過程中，在扭力還沒有達到額定扭矩時螺桿部分發生斷裂（圖1）。根據生產商的要求，對雙頭螺柱斷裂原因進行分析。

圖1 宏觀斷口形貌

雙頭螺柱材料牌號為42CrMo。進廠的原材料為D32圓鋼，制造廠冷撥到D30尺寸后進行機加工和調質處理。雙頭螺柱的機械性能要求達到GB/T 3098.1－2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》10.9級。

1 檢查與結果

1.1 宏觀斷口形貌

雙頭螺柱斷裂部位在中部光桿處，斷口垂直于長度方向，斷裂處無明顯的伸長、縮頸現象，斷口呈灰白色，中間呈圓形且較平整，結晶較細小，邊緣有45°左右的剪切唇，斷裂擴展方向是由螺柱中心向四周呈放射狀擴展（圖1）。

1.2 微觀斷口檢查

掃描電鏡觀察:斷口中心區域呈準解理形貌，并有少量的顆粒狀夾雜物和二次裂紋。在1/2半徑處的斷裂區域，除準解理形貌外還出現少量的韌窩和二次裂紋（圖2）。靠近邊緣剪切唇處韌窩形貌增多，在剪切唇的起始部位出現較多的二次撕裂紋，剪切唇處呈拉長形韌窩形貌（圖 3）。

圖3 剪切唇處的拉長形韌窩

1.3 化學成分分析

通過化學成分分析，材料成分符合GB/T 3077－1999《合金結構鋼》技術要求（表1）。

表1 化學成分分析表 （%）

1.4 機械性能測定

螺柱表面硬度為39.0 HRC;中心部位為37.5 HRC，符合標準要求。為做拉力試驗，把斷裂后較長部分的螺柱加工成拉伸試樣，但在車削加工時突然斷成四段，斷口形貌和裝配時斷裂的斷口形貌極為相似，說明螺柱內部存在許多表面看不見的裂紋。

1.5 顯微組織檢查

鋼中非金屬夾雜物A、B兩類夾雜均為2級，D類為1級，晶粒度為9級左右，晶粒較細小。

從斷口附近取樣縱向磨制、觀察，組織為回火屈氏體（圖4），有明顯條帶狀組織，條帶組織為回火屈氏體+貝氏體和條狀夾雜物。螺柱中心區域不僅白色條帶狀組織明顯密集，而且組織形成灰色和中心黑白兩種色澤區域。白色條帶區域內出現橫向微裂紋（圖4）。采用顯微硬度對黑色和白色條帶測定硬度進行比較，黑色條帶硬度為333 HV0.2（相當于35.5 HRC），白色條帶硬度為425 HV0.2（相當于42.5 HRC）。為了弄清微裂紋的形成原因和分布，對在安裝時受力較小的螺柱頭部進行宏觀檢驗，結果也有明顯的帶狀偏析，并有較多的橫向裂紋（圖5）。

2 分析

從宏觀斷口看，裂紋擴展方向是由螺柱中心向四周呈放射狀擴展的，裂紋源應在中心部位，所以螺柱開裂是由心部開始的。在檢驗中也發現螺柱中存在大量的橫向裂紋，說明螺柱斷裂是由于中心存在的橫向裂紋在安裝擰緊過程中的拉應力的作用下擴展，使螺柱斷裂。

由于原材料中成分不均勻，存在大量的帶狀組織，尤其是中心條帶狀較嚴重，導致材料在性能上存在較大的差異，硬度較高的區域塑性低，變形能力差，硬度較低的區域塑性好，變形能力強。原材料在軋制、冷撥時，在拉應力的作用下，塑性好的基體部分變形快。而塑性差的高硬度條帶由于變形能力差，變形速度慢，容易產生應力集中，當高硬度條帶所受的拉應力大于材料的抗拉強度時，在高硬度條帶處容易形成類似于竹節狀的細小裂紋。裝配時，當雙頭螺柱受到拉伸應力作用時，會使裂紋兩端產生應力集中，導致裂紋迅速擴展至整個螺柱的斷裂。

3 結語

1）雙頭螺柱材料化學成分和硬度符合標準GB/T 3098.1－2010的要求。

2）雙頭螺柱在組裝過程中發生斷裂是由于螺柱材料中存在橫向裂紋所致。

3）加強原材料的進廠檢驗，對原材料偏析較嚴重的鋼材在軋制、冷撥前進行高溫退火使材料組織均勻。

［1］李文成.機械裝備失效分析［M］.北京:冶金工業出版社，2008.

［2］蔡宏偉.金相檢驗［M］.北京:中國計量出版社，2008.