端蓋螺栓失效分析

劉 亮

(安徽省特種設備檢測院,安徽 合肥 230051)

螺栓是小汽輪機的重要緊固件,用于連接上下汽缸,保證小汽輪機做功過程中不發生蒸汽泄漏,確保汽輪機安全運行。小汽輪機汽缸端蓋螺栓運行過程中承受較大的緊固拉應力、較高的溫度和負荷變化帶來的交變應力,因此對材料的抗松弛性能、高溫持久性能和韌性有較高的要求[1-6]。某發電廠2號機組小汽輪機端蓋螺栓在使用過程中發生斷裂致使該機組小汽輪機停運,采用光譜分析、硬度檢測、金相組織觀察、力學性能測試等方法對失效螺栓進行分析,闡述了螺栓失效的原因。

1 宏觀分析

圖1為發生斷裂的螺栓宏觀形貌。該螺栓在螺紋區靠近光桿的第4圈螺牙位置斷裂,斷口表面平整,無明顯塑性變形。斷面呈典型的疲勞斷口特征,瞬斷區斷口保留有金屬光澤,擴展區存在明顯的裂紋延伸條紋,起裂區斷口較為粗糙,緊靠邊緣的位置存在臺階形貌。

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of broken bolt

2 理化檢驗

2.1 金相檢驗

在螺栓斷口起裂區位置切取金相試樣,將試樣磨制和拋光后,采用硝酸乙醇溶液腐蝕,并使用金相顯微鏡進行金相組織觀察。圖2為斷裂螺栓的金相組織。圖2(a)和2(b)中可觀察到螺栓起裂區螺牙根部存在裂紋。圖2(c)和2(d)中可見主裂紋附近伴生有二次裂紋,裂紋內部填充有氧化物。圖2(f)和2(g)中可見第一圈螺牙根部和第二圈螺牙根部均存在裂紋,裂紋沿原奧氏體晶界擴展。圖2(e)中可見螺栓基體組織為馬氏體組織,部分碳化物聚集在原奧氏體晶界位置。

(a)斷口附近縱截面;(b)圖2a中圓圈內起裂區高倍形貌;(c)圖2a中方框區域主斷口附近形貌;(d)圖2c中圓圈區域裂紋高倍形貌;(e)螺栓基體顯微組織;(f)圖2a中斷口下方第二圈螺牙根部形貌;(g)圖2a中斷口下方第一圈螺牙根部形貌

2.2 化學成分分析

在斷裂螺栓上切取光譜試樣,利用光譜儀進行化學成分分析,結果見表1。結果表明螺栓化學成分在標準1.6772(20NiCrMo15-4)的元素要求值范圍內。

表1 化學成分分析結果(質量分數,%)

2.3 硬度檢驗

在金相試樣表面進行布氏硬度檢驗,載荷為187.5 kgf,加載時間為20 s,結果見表2。結果表明螺栓的硬度均勻性較好。

表2 硬度檢測結果

2.4 拉伸試驗

按照標準要求在螺栓上截取縱向拉伸試樣,在100 kN電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗,結果見表3。結果表明,螺栓的抗拉強度接近20CrNi4Mo性能指標的下限,屈服強度低于要求。

表3 拉伸試驗結果

2.5 沖擊試驗

在螺栓上沿縱向切取10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣,采用PTM2200型擺錘沖擊試驗機,選用150 J的擺錘進行室溫沖擊試驗,結果見表4。結果表明螺栓具有較高的沖擊韌性。

表4 沖擊試驗結果

2.6 掃描電鏡分析

利用掃描電子顯微鏡對金相試樣和斷口進行微觀形貌觀察。圖3為螺栓斷口SEM形貌。圖3(a)中可見起裂區呈現脆性解理斷口特征,圖3(b)和圖3(c)中擴展區和瞬斷區為韌窩聚集型斷口,呈現韌性斷裂特征。

(a)起裂區;(b)擴展區;(c)瞬斷區

圖4為斷口附近以及螺牙根部的SEM形貌。圖4(a)和4(b)中可見主斷口附近起裂區存在兩處沿原奧氏體晶界擴展的裂紋,裂紋較細,呈折線狀擴展,部分顆粒狀碳化物在附近析出聚集。圖4(c)中可見螺牙根部存在局部微損傷,附近存在一條沿原奧氏體晶界擴展的微裂紋,裂紋附近有大量碳化物析出聚集。

(a)起裂區附近 750×;(b)圖4a中圓圈區域形貌 3000×;(c)螺牙底部裂紋形貌4000×

3 結果分析

在高強度淬火鋼中,沿原奧氏體晶界分布的碳化物的存在,會對鋼的延遲破壞性能產生不利的影響。作為鋼中主要的碳化物形成元素鉻,以碳化物的形式在原奧氏體晶界位置析出,造成附近區域貧鉻,使得固溶強化作用減弱,同時硬脆的碳化物在薄弱的原奧氏體晶界聚集,割裂了基體,降低了材料強度。本試驗螺栓的抗拉強度處于下限,屈服強度低于標準要求,組織中原奧氏體晶界位置存在大量析出聚集的碳化物,同時螺牙根部的微裂紋和主斷口附近二次裂紋均沿原奧氏體晶界擴展。因此推測試驗螺栓可能存在熱處理控制不嚴的問題,使組織中大量碳化物在原奧氏體晶界析出聚集,降低了固溶強化效果,割裂了基體,導致材料抗拉強度處于標準規定的下限,屈服強度低于標準要求。同時根據螺牙根部的微損傷和多條微裂紋的存在,推測安裝過程中可能存在過緊的現象,導致應力集中的螺牙根部產生微裂紋。

4 結論

由于螺栓的熱處理控制不嚴,組織中大量碳化物析出聚集在原奧氏體晶界位置,導致材料強度降低。同時安裝時過大的緊固力矩導致螺牙根部應力集中位置產生微損傷(微裂紋),在高應力狀態下微裂紋沿薄弱的原奧氏體晶界擴展,成為疲勞源,服役過程中的小機啟停和振動為螺栓服役過程提供了交變應力,最終導致螺栓發生疲勞斷裂。