42CrMoA高強連接螺栓材料與斷裂特征

段焱森，何建軍，程慶陽，蒲 珉，舒忠虎，張世浩，羅光武

(1.國家能源集團龍源江永風力發電有限公司，長沙 410000；2.長沙理工大學 能源與動力工程學院，長沙 410114；3.西安中科啟航測控技術有限公司，西安712000)

近年來，隨著大容量風電裝機的快速增長，風電機組的運行安全是風電技術研究的重要熱點問題。葉片與輪轂連接的高強螺栓是風力機組的重要連接部件，在風機在長時間運轉過程中的往復震動會承受復雜的交替變化載荷[1]，在交變載荷下容易發生疲勞損傷。風力機葉片結構復雜性和運行波動性導致載荷復雜交變，葉片的震動以及運轉也會使得作用于螺栓表面力的作用點和方向是隨時多變的，長時間交變載荷造成高頻疲勞損傷。服役期間的螺栓發生疲勞損傷早期沒有明顯的宏觀塑性變形[2]，難以通過外部檢測發現，然而，疲勞損傷累積導致的突然斷裂，可能導致嚴重的事故和巨大的經濟損失[3-4]。因此，開展螺栓的高頻疲勞損傷行為研究具有重要的工程應用價值。

由于風力發電的波動性，風機葉片高強連接螺栓在周期性運轉過程中的載荷十分復雜。當前的螺栓斷裂分析研究主要是事后分析，包括螺栓預緊力、裝配方法、放松措施等現場工藝因素[5-6]，以及從斷口分析、理化檢驗等材質因素[7-10]，這些研究主要集中在螺栓斷裂后斷面斷裂特征和螺栓載荷模型等方面，采用的數據一般來自風機運行數據和整機參數，缺乏針對螺栓的疲勞實驗設計；現場的斷裂分析研究難以涉及螺栓的疲勞損傷過程和材料組織結構演變特征，缺乏螺栓材料進行疲勞實驗數據的對比支撐，難以準確反映螺栓在運行過程中的損傷過程和損傷機制。

特定條件下的疲勞實驗是研究螺栓損傷行為的重要方法[11]，Yilmaz等[12]分析了高強度鋼螺栓連接在典型疲勞加載模式下的疲勞性能。Poovakaud等[13]通過開發的簡單模型，研究了高強度連接螺栓中接觸表面的疲勞損傷機制。Yang等[14-15]進行了恒定振幅疲勞試驗，研究了在不同應力范圍下網架螺栓球中M22高強度螺栓的疲勞破壞特性。該些研究主要談論在某種特定實驗參數下的螺栓疲勞，而螺栓在實際工況載荷模式下的疲勞響應，需要通過設定不同載荷條件的高頻疲勞試驗來反映[16]。結合風機葉片螺栓運行工況和交變載荷特點，開展對高強螺栓材料的高頻疲勞試驗，綜合研究不同加載條件下螺栓材料的疲勞性能及斷裂特征，研究結果對揭示風機螺栓損傷失效機制、高性能螺栓制備、以及風電場安全運行具有一定的理論意義和工程應用價值。

1 實驗材料與方案

1.1 實驗材料

實驗材料選某風電場2 MW風機葉片所用的全新高強度連接螺栓，如圖1所示。螺栓直徑Φ36 mm(M36)，性能等級10.9級，材料為42CrMoA鋼。

對螺栓取樣進行成分分析，檢驗結果如表1所示，螺栓中成分均符合GB/T 3077—1999標準要求。

表1 螺栓材料的化學成分

1.2 實驗方法

1.2.1 試樣制備

根據JJG 556—2011《軸向加荷疲勞試驗機》標準進行試樣制備，試驗采用PLG-50高頻疲勞試驗機，按照圖2標準將螺栓材料加工成標準高頻實驗試樣。試樣等截面試驗段長度25 mm，試驗段直徑5 mm。

圖2 高頻疲勞試樣加工圖

1.2.2 實驗方案

實驗選擇使用PLG-50高頻疲勞試驗機，在對試樣進行疲勞試驗的同時，試驗機的激振器會在試驗過程中產生震動，用來模擬風機葉根部螺栓在實際運行時的受力特性。根據螺栓樣品的機械性能以及試驗機的施加負荷范圍，確定4種不同載荷應力水平開展進行疲勞測試。1#～4#組實驗中施加振幅設定為2 kN，施加平均負荷依次為10.71、12.71、14.71、16.71 kN。此外添加5#組試驗與1#組試驗進行對比，在相同最大負載條件下(與1#試樣最大載荷相同)，5#試樣施加平均負荷為7.71 kN，施加振幅5 kN，研究振幅對試樣疲勞損傷的影響。在75 Hz頻率的恒定振幅正弦負載下測試試樣，在疲勞測試過程中將其保持在彈性狀態。

2 實驗結果與分析

2.1 高頻疲勞試驗結果

2.1.1 不同載荷下試樣高頻疲勞試驗結果

不同載荷下疲勞試驗結果如表2所示。

表2 不同載荷下試樣高頻疲勞試驗結果

疲勞強度與疲勞壽命之間的關系通常由應力-疲勞壽命(S-N)曲線描述。以平均加載應力為參數,S-N的經驗方程冪函數形式的曲線為

N(ΔσAVG)m=C

(1)

式(1)中：ΔσAVG為所施加平均負荷產生的應力；C和m為不確定的參數，可以從疲勞測試數據獲得。對數形式的S-N曲線表達式為

lgN=-mlg(ΔσAVG)+lgC

(2)

通過以ΔσAVG為參數疲勞試驗數據的回歸分析，42CrMoA高強度螺栓材料的對數形式疲勞S-N曲線如圖3所示。

圖3 以lgσAVG為參數的對數回歸曲線

可以看出，相關系數R=0.95，說明所有的測試數據均具有良好的擬合度，并符合施加的平均應力越低，疲勞時間越長的趨勢。另外，通過計算疲勞試驗數據的標準偏差，可以得出42CrMoA高強度螺栓材料的對數形式S-N曲線方程為

lgN=26.265-6.987lg(ΔσAVG)

(3)

2.1.2 不同振幅下試樣高頻疲勞試驗結果

不同振幅下疲勞試驗結果如表3所示。

表3 不同振幅的高頻疲勞試驗結果

2.2 螺栓材料的斷裂特征

2.2.1 不同載荷下的材料斷裂特征分析

試樣的疲勞破壞發生在均勻試驗段的起始端，如圖4所示。斷口呈現兩種不同形貌?？梢猿醪娇闯?，3#試樣斷口呈現典型疲勞形貌，有較為明顯的分區。從4#試樣斷口處可看到斷口處材料頸縮明顯，斷口呈杯錐狀且不平整，疲勞分區不明顯。

圖4 試樣斷裂位置及斷口外觀圖

斷裂試樣斷裂面形貌的掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)照片如圖5、圖6所示。裂紋萌生通常發生在試樣根部的表面，由圖5(a)可知，裂紋起源于三個不同的疲勞源區，不同區域的裂紋擴展相遇后形成峰，峰線交匯于疲勞瞬斷區起始位置。在圖5(a)中A位置放大觀察，如圖5(b)所示，疲勞源區相對較光滑且呈深色，沿箭頭方向向試樣內部衍生出類似海灘的痕跡。在B位置放大觀察后發現，如圖5(c)中所示，裂紋大致平行，朝二次裂紋的相同方向(箭頭方向)延伸，并垂直于裂紋擴展方向。隨著裂紋的擴展，由于材料的破壞，試樣的有效承載面積減小，殘余部分的應力逐漸增加，導致試樣突然斷裂，在試樣表面產生瞬斷區，如圖5(d)所示。在此區域內出現疲勞條紋和凹痕的混合形態，并且相對粗糙，包含粗顆粒以及大量凹坑。

圖5 3# 試樣斷面SEM分析

圖6(a)中，試樣斷面呈杯錐狀且不平整，表現為多點起裂的撕裂斷口，觀察到斷口中出現有塑性變形的孔洞，如圖6(b)中虛線所示。放大倍數觀察到撕裂裂口內存在片狀及條狀組織結構，且裂口附近組織出現較多微孔，如圖6(c)中所示。在圖6(d)中發現靠近試樣表面部分材料組織表面存在絮狀條紋，呈海灘跡象向試樣內部延伸，分析為疲勞裂紋，但觀察不到明顯的疲勞分區，造成這一現象是由于材料承載載荷過大，疲勞行為還未來得及進一步擴展，材料組織在處于雙向應力作用下，在夾雜物或第二相粒子周圍的位錯環發生堆積，并在沉淀相、夾雜物與金屬界面處分離，造成撕裂裂口導致試樣斷裂，與4#試樣的斷口宏觀形貌特征相符。

圖6 4#試樣斷面SEM分析

2.2.2 不同振幅下的材料斷裂特征分析

可以看出，在增大振幅后，試樣疲勞壽命明顯減低，觀察5#試樣斷口，如圖7(a)所示。試樣為疲勞斷裂，可以觀察到斷面疲勞源區、裂紋擴展區及瞬斷區分界明顯。對試樣斷面進行SEM如圖7(b)所示，斷裂面都存在兩個疲勞源(A區)。初始裂紋起源于螺紋的根部表面，然后沿箭頭方向向試樣內部延伸。裂紋擴展區(B區)相對平坦且光滑，并且可以觀察到較亮的顏色和殼狀線。在從延伸區到當前斷裂區的過渡處，斷裂面開始變得粗糙。在瞬時斷裂區域(C區)中，斷裂表面粗糙且呈不規則晶體形狀，裂紋擴展減小了試樣的有效承載面積，從而導致剩余截面上的應力逐漸增加，由于殘余部分不足以抵抗由外部載荷引起的應力，因此樣品出現了最終的瞬時斷裂。將5#試樣疲勞斷面與圖5(a)中的3#試樣疲勞斷面進行對比，可以發現，5#試樣中的斷面裂紋擴展區和瞬斷區的面積比較為更大，說明較高的振幅會導致裂紋擴展區域的面積變小，瞬斷區的面積會成比例地增加，也就說明了在較高的應力變化范圍下，螺栓的裂紋擴展周期較短，螺栓疲勞壽命較低，更容易發生斷裂失效。

圖7 5# 高頻疲勞試樣斷裂位置及斷口形貌圖

3 結論

風力機葉片結構復雜性和運行波動性導致載荷復雜交變，長時間交變載荷造成高頻疲勞損傷。對2 MW風力機葉片上所用42CrMoA高強連接螺栓材料的疲勞性能與斷裂特征進行研究，探討了螺栓材料的失效機理以及疲勞損傷的發展過程，研究結果表明，在對試樣施加的等幅遞增的應力試驗中，650 MPa載荷下6.444 9×106周此后螺栓尚未斷裂，750 MPa載荷下的疲勞壽命達1.056 4×106周次；其次根據所得試驗數據擬合出螺栓的高頻疲勞S-N曲線方程為lgN=26.265-6.987lg(ΔσAVG)；螺栓的高頻疲勞損傷具有多疲勞裂紋起源區特征，螺栓斷裂是由于多源裂紋交匯后形成峰線所導致；在相同的最大應力加載下，應力振幅越高，裂紋擴展速率越大，高頻疲勞壽命越低。研究結果對揭示風機螺栓損傷斷裂原因和風機安全運行具有重要意義。