1、叶热加工工艺曳 2017年8月第46卷第18期35VB钢高强螺栓断裂失效分析李茂林1, 浦承皓1, 李禅1, 潘丽君2(1.环境保护部 核与辐射安全中心,北京 100082;2.太原科技大学材料科学与工程学院,山西 太原 030024)摘 要院某风电机组用35VB钢高强螺栓发生断裂失效遥应用直读光谱仪尧拉伸试验机尧冲击试验机尧洛氏硬度计尧金相显微镜尧扫描电子显微镜等分析测试手段袁对其进行了宏观形貌尧化学成分尧拉伸性能尧冲击性能尧楔负载尧硬度尧夹杂物尧脱碳尧微观组织等研究袁分析了35VB钢高强螺栓断裂失效的原因袁提出了预防和改进措施遥 结果表明院35VB钢高强螺栓断裂失效是该批次螺栓在制造过程中
2、热处理工艺控制不当遥 此外袁螺纹牙底存在半脱碳层袁亦是螺栓的薄弱环节遥关键词院35VB钢高强螺栓曰断裂失效曰冲击值曰洛氏硬度曰脱碳曰微观组织DOI:10.14158/ki.1001-3814.2017.18.066中图分类号院TG115.21;TG115.5 文献标识码院A 文章编号院1001-3814(2017)18-0259-05FractureFailureAnalysison35VBSteelHighStrengthBoltLIMaolin1,PUChenghao1,LIChan1,PANLijun2(1.NuclearandRadiationSafetyCenter,Environm
3、entalProtectionDepartment,Beijing100082,China;2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China)Abstract院Thefractureof35VBsteelhighstrengthboltinawindturbineoccurred.Themacro-morphologies,chemicalcomposition,tensileproperties,impactproperties,wedgel
4、oad,hardness,inclusion,decarburizationandmicrostructureofthealloywereinvestigatedbyusingdirectreadingspectrometer,tensiletestingmachine,impacttestingmachine,Rockwellhardnesstester,opticalmicroscope,scanningelectronmicroscopeandotheranalyticalmethods.Thecauseoffracturefailureof35VBsteelhighstrengthbo
5、ltwasanalyzed.Thepreventionandimprovementmeasureswereputforward.Theresultsshowthat:thefractureof35VBsteelhighstrengthboltisimpropercontrolofheattreatmentprocessduringthemanufactureofthisbatchbolt.Inaddition,thereisahalfdecarburizationlayeratthebottomofthescrewthread,whichisalsotheweaklinkofthebolt.K
6、eywords院35VBsteelhighstrengthbolt;fracturefailure;impactvalue;Rockwel hardness;decarburization;microstructure高强螺栓一般用于永久连接袁 预紧力矩后不可重复使用遥其主要依靠预紧力在连接件间产生的摩擦力传递载荷袁因而在抗剪和抗拉两个方面性能均较好1遥 它的连接原理是院用特制的扳手上紧螺母袁使螺栓产生巨大而又受控制的预拉力袁 通过螺母和垫片袁对被连接件也产生了同样大小的预压力遥在预压力作用下袁沿被连接件表面就会产生较大的摩擦力遥因此袁只要轴力小于此摩擦力袁构件便不会滑移袁连接件就不会受到破坏
7、遥高强螺栓连接具有施工简单尧受力性能好尧可拆卸尧耐疲劳尧以及在动力载荷作用下不致松动等优点袁 是风电机组中最主要的机械连接方式袁是保证风电机组正常运行最重要的标准件之一遥 35VB与其它钢种相比2袁该钢种不仅具有较好的综合性能袁而且在我国V尧B等合金元素具有丰富的矿产资源袁容易形成批量生产袁所以近年来该种材质的高强螺栓被广泛使用遥某风电机组第三段塔架连接用35VB 高强螺栓袁在安装一个多月后发现断裂失效现象遥本文针对35VB高强螺栓断裂现象袁应用直读光谱仪尧拉伸试验机尧冲击试验机尧洛氏硬度计尧金相显微镜尧扫描电子显微镜等分析测试手段袁通过对其进行宏观形貌尧化学成分尧拉伸性能尧冲击性能尧楔负载尧
8、硬度尧夹杂物尧脱碳尧微观组织尧显微形貌等一系列研究袁分析了35VB高强螺栓断裂失效的原因袁提出预防和改进收稿日期:2017-03-20作者简介:李茂林(1978- ),男,山西人,高级工程师,硕士,主要研究方向:金属材料及失效分析;电话:010-82205536;E-mail:通讯作者:浦承皓(1987- ),男,湖北人,工程师,硕士,主要研究方向:化学工程与技术;电话:010-82205548;E-mail:259网络出版时间：2017-09-25 09:34:01网络出版地址：http:/ 试验与分析利用QSG750型直读光谱仪测量其化学成分遥依据 GB/T228-2010 规定进行试样加
9、工袁利用CMT5305拉力试验机测定其拉伸性能遥依据GB/T229-2007规定进行冲击试样加工袁HGF-冲击试样缺口液压拉床进行夏比冲击试样V型缺口的加工袁利用SANS-ZBC3000金属摆锤式冲击试验机测定其冲击性能遥依据GB/T3098.1-2010 规定袁在SHT4206拉力试验机上测定其楔负载遥 依据GB/T230.1-2009规定袁 在HR-150型洛氏硬度计上测量样品的洛氏硬度遥依据GB/T13298-2015规定制备金相试样袁经机械研磨抛光袁用4%的硝酸酒精溶液浸蚀袁应用LeicaDMIRM金相显微镜观察其微观组织遥在JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜上观测断裂样品的显微
10、形貌遥1.1 宏观分析图1为35VB钢断裂失效高强螺栓和未发生断裂高强螺栓的宏观形貌遥图中7根35VB高强螺栓袁螺杆直径准80mm中间1根为本文分析的断裂失效高强螺栓袁左右两侧共计6根螺栓为同批次尧同样使用过程拆卸下来未发生断裂的高强螺栓袁方便我们进行相关试验分析使用遥 7根35VB高强螺栓的排列编号从左到右依次为院左3尧左2尧左1尧断裂尧右1尧右2尧右3遥从图中看出袁断裂失效高强螺栓未明显变形袁断口两边几乎可以合对在一起袁起裂位置位于螺栓第一螺纹扣处遥图2为35VB断裂失效高强螺栓断口的宏观形貌遥图中断面较平整袁整个断面分为两种颜色袁起裂区域颜色呈深褐色袁具有明显锈蚀现象袁深度约7mm袁其余
11、面呈金属色袁两区域有明显界限袁整个断面有较多撕裂棱袁在断口的中心区域有约准10mm的异状区域袁该区域形貌和其它区域有明显区别遥1.2 化学成分分析表1为35VB钢断裂失效高强螺栓的化学成分遥样品的分析元素符合GB/T1231-2006的规定遥1.3 拉伸试验由于35VB断裂失效高强螺栓样品有限袁 只制备成准10mm试样进行拉伸试验遥随机选取左3尧右3样品袁 为了尽可能充分反映螺栓表面及心部整体的力学性能袁分别制备成准30mm试样进行拉伸试验遥结果见表2袁其为35VB断裂失效高强螺栓与随机选取的未发生断裂的高强螺栓的力学性能数据遥从表中可以看出院35VB断裂失效高强螺栓与随机选取的未发生断裂的高
12、强螺栓的力学性能指标均符合叶1.5MW风电机组35VB高强螺栓订货技术要求曳的规定遥1.4 冲击试验按照风电机组对使用高强螺栓的规定要求袁依据标准进行-40的冲击试验袁试样标准开具V型表135VB钢高强螺栓的化学成分(质量分数袁%)Tab.1Thechemicalcompositionof35VBsteelhighstrengthbolt(wt%)图135VB断裂失效和未断裂高强螺栓的宏观形貌Fig.1Macro-morphologiesof35VBsteelfracturefailureandnon-fracturehigh-strengthbolts图235VB钢高强螺栓断口的宏观形貌Fi
13、g.2Themacro-morphologyoffractureof35VBsteelhighstrengthbolt分析元素 C Si Mn P S V B断裂螺栓 0.35 0.26 0.73 0.013 0.006 0.08 0.003GB/T1231 0.310.37 0.170.37 0.500.90 臆0.040 臆0.040 0.050.12 0.0010.004表235VB断裂失效和未断裂高强螺栓的力学性能Tab.2Themechanicalpropertiesof35VBfracturefailureandunbrokenhighstrengthbolts样品编号 试样规格/
14、mm 抗拉强度Rm/MPa屈服强度Re/MPa伸长率A(%)收缩率Z(%)断裂螺栓 准10 1189 1079 13.9 61.4左3 准30 1179 1099 10.1 53.2右3 准30 1169 1079 11.4 53.4技术要求 - 逸1040 逸940 逸9 逸48260叶热加工工艺曳 2017年8月第46卷第18期444240383634323044424038363432304442403836343230010203040距表面距离/mm010203040距表面距离/mm010203040距表面距离/mm(a)断裂螺栓 (b)未断裂螺栓20mm螺纹处 (c)未断裂螺栓40
15、mm螺纹处图4 断裂螺栓和未断裂螺栓不同螺纹处的硬度Fig.4Hardnessoffractureboltanddifferentthreadswithoutfracturebolts缺口遥 35VB钢断裂失效高强螺栓由于样品有限袁我们只在光滑螺杆部位靠近断裂位置取1个冲击试样袁在螺纹部位靠近断裂位置另取1个冲击试样袁如图3渊a冤所示遥 随机选取右2样品袁为了尽可能充分反映从螺栓表面到心部的冲击性能袁以断裂位置作为取样的重要参考位置袁依次制备3个冲击试样袁如图3渊b冤所示遥表3列出了35VB断裂失效高强螺栓与随机选取的未发生断裂的高强螺栓的冲击性能数据遥从表中可以看出院35VB断裂失效高强螺栓
16、与未发生断裂的高强螺栓冲击值检测结果中袁均存在不满足叶1.5MW风电机组35VB高强螺栓订货技术要求曳规定的数值袁 并且从螺栓表面到心部的冲击值分布很不均匀遥1.5 楔负载试验依据GB/T3098.1-2010规定袁随机选取左1尧左2尧右1样品袁分别进行楔负载试验袁结果见表4遥从表中可以看出院随机选取的未断裂的35VB高强螺栓的楔负载均符合GB/T3098.1-2010标准的规定遥1.6 硬度试验依据GB/T230.1-2009规定袁对35VB断裂失效高强螺栓进行洛氏硬度检测袁选取螺栓半径1/2处和心部两个位置进行测量袁结果如图4渊a冤所示遥从图中看出院螺栓半径1/2处硬度不符合叶1.5MW风
17、电机组35VB高强螺栓订货技术要求曳的规定袁螺栓心部也有不符合要求的硬度值存在袁并且不同部位的硬度值分布很不均匀遥如图4渊b冤所示袁随机选取右2样品20mm螺纹处 渊以光滑螺杆与螺纹交界的这个过渡部位作为起点袁向螺纹方向延伸20mm处冤进行洛氏硬度检测袁选取螺栓半径1/2处和心部两个位置进行测量袁结果表明院螺栓半径1/2处硬度不符合叶1.5MW风电机组35VB高强螺栓订货技术要求曳的规定袁并且不同部位的硬度值分布很不均匀遥如图4渊c冤所示袁随机选取右2样品40mm螺纹处 渊以光滑螺杆与螺纹交界的这个过渡部位作为起点袁向螺纹方向延伸40mm处冤进行洛氏硬度检测袁选取螺栓半径1/2处和心部两个位置
18、进行测量袁结(a)断裂失效图335VB钢高强螺栓冲击试样取样位置Fig.3Impactsamplingpositionsof35VBsteelhighstrengthbolt样品形式 冲击样号 冲击功(KV2,-40)/J断裂螺栓 C1 24.7C2 28.3右2C3 38.1C4 30.7C5 23.0技术要求 - 逸27表335VB钢断裂和未断裂高强螺栓的冲击性能Tab.3Theimpactperformanceof35VBfracturefailureandunbrokenhighstrengthbolt表4 未断裂35VB高强螺栓的楔负载Tab.4Wedgeloadofunbroken
19、35VBhighstrengthbolts样品编号 楔垫角/(毅) 楔负载/N左1 6 1370048左2 6 1354698右1 6 1360498GB/T3098.1 6 逸1164800(b)未断裂C2C1C4C3C5要求上限(39HRC)要求下限(32HRC) 要求下限(32HRC) 要求下限(32HRC)要求上限(39HRC) 要求上限(39HRC)261HotWorkingTechnology2017,Vol.46,No.18(a)起裂区锈蚀形貌 (b)异状区域准解理形貌 (c)扩展区微观形貌 (d)扩展区韧窝10滋m 20滋m 345滋m 10滋m图835VB断裂失效高强螺栓不同
20、区域的微观形貌Fig.8Micro-morphologiesindifferentareasof35VBfracturefailurehighstrengthbolt果表明院 螺栓半径1/2处也有不符合要求的硬度值存在袁并且不同部位的硬度值分布很不均匀遥1.7 金相分析1.7.1 夹杂物和脱碳对35VB钢断裂失效高强螺栓夹杂物检测袁结果如图5渊a冤所示袁未发现超标夹杂物遥对35VB钢断裂失效高强螺栓螺纹部位脱碳检测袁结果如图5渊b冤所示袁发现牙底3半脱碳层深度为120.02滋m遥1.7.2 微观组织在35VB断裂失效高强螺栓断口部位截取纵向金相试样袁试样制备好后观察其微观组织袁如图6所示袁断口
21、纵向试样起裂区尧扩展区未发现夹杂物尧脱碳尧裂纹尧腐蚀坑等缺陷遥在35VB断裂失效高强螺栓边缘截取横向金相试样袁试样制备好后袁观察其微观组织袁如图7渊a冤所示袁边缘组织为回火索氏体遥在35VB断裂失效高强螺栓断口的中心异状区域截取横向金相试样袁 试样制备好后袁观察其微观组织袁如图7渊b冤所示袁异状区域组织为回火索氏体+少量针状及块状铁素体+少量屈氏体+极少量残余奥氏体遥1.8 电镜分析把35VB断裂失效高强螺栓断口放置于扫描电子显微镜下观察分析袁断口起裂区位于螺纹第一扣处遥断口起裂区表现为严重锈蚀特征袁未发现达克罗存在现象袁如图8渊a冤所示遥 异状区域主要形貌为准解理袁如图8渊b冤所示遥扩展区主
22、要形貌为细小等轴韧窝袁如图8渊c冤尧渊d冤所示遥2 综合分析2.1 符合要求的项目35VB断裂失效高强螺栓化学成分尧拉伸性能袁以及随机选取的同批次尧同样使用过程拆卸下来未发生断裂的高强螺栓拉伸性能尧楔负载均符合GB/T1231-2006尧叶1.5MW风电机组35VB高强螺栓订货技术要求曳尧GB/T3098.1-2010的规定遥35VB断裂失效高强螺栓断口处金相组织尧夹杂物尧脱碳等均未发现异常遥120.02滋m(a)螺栓夹杂物 (b)螺纹脱碳图535VB断裂失效高强螺栓夹杂物和螺纹脱碳检测Fig.5Boltinclusionandthreaddecarburizationdetectionof3
23、5VBfracturefailurehighstrengthbolt100滋m100滋m图635VB断裂失效高强螺栓断口纵向试样微观组织Fig.6Themicrostructureoflongitudinalspecimensof35VBfailurehighstrengthboltfracturesurface100滋m100滋m(a)起裂区 (b)扩展区(a)边缘 (b)中心异状区域20滋m 20滋m图735VB断裂失效高强螺栓边缘和中心异状区域微观组织Fig.7Themicrostructureofedgeandcenterheterogeneousareain35VBfracturef
24、ailurehighstrengthbolt262叶热加工工艺曳 2017年8月第46卷第18期(上接第258页)导致管子失效遥鉴于以上袁应从应力腐蚀三要素着手以避免失效的发生袁首先袁应消除介质中的氯离子或将其含量降低至25ppm以下袁以切断腐蚀性介质的来源遥其次袁可对冷变形加工后的材料采取去应力退火或重新进行固溶处理袁使材料的强度降低袁耐蚀性提高袁保证其应力腐蚀敏感度在可发生水平以下遥由于应力腐蚀的发生往往需要三要素缺一不可袁故消除两项其发生的必要条件袁便可有效避免应力腐蚀失效的发生遥4 结论渊1冤 本次试验的换热器管袁应力腐蚀三要素齐备袁宏观及微观形貌高度吻合应力腐蚀开裂特征袁该断裂失效属
25、氯离子引导的应力腐蚀开裂遥渊2冤 本次试验的换热器管袁镍元素含量不符合相应国家标准袁显微硬度高于固溶态袁其焊缝及熔合线区的显微组织存在铁素体袁母材存在形变马氏体袁整体显微组织不均匀遥参考文献院1 吴金星袁李亚飞袁张灿灿袁等绕管式换热器的结构形式分析及应用前景J压力容器袁2014(2)院38-422 NeeraasBO袁FredheimAO袁AunanBExperimentalshell-sideheattransferandpressuredropingasflowforspiral-woundLNGheatexchangerJInternationalJournalofHeatandMass
26、Transfer袁2004袁47(2)院353-3613 刘俊红袁刘志璋袁 顾建 双层绕管换热器的数学模型与检验J石油化工设备袁2007袁4(3)院22-264 曲平袁王长英袁俞裕国缠绕管式换热器的简捷计算J大氮肥袁1998袁21(3)院178-1815 锅炉和热交换器用奥氏体不锈钢焊接钢管院GB/T24593-2009S6 承压设备损伤模式识别院GB/T30759-2014S2.2 不符合要求的项目35VB 断裂失效高强螺栓与随机选取的同批次尧同样使用过程拆卸下来未发生断裂的高强螺栓均检测出不满足叶1.5MW风电机组35VB高强螺栓订货技术要求曳的冲击值袁并且从螺栓表面到心部的冲击值分布很不
27、均匀遥亦均检测出不满足叶1.5MW风电机组35VB高强螺栓订货技术要求曳的硬度值袁并且不同部位的硬度值分布很不均匀遥 譬如袁螺栓不同部位洛氏硬度偏高可能是热处理工艺中回火温度偏低遥35VB断裂失效高强螺栓断口的中心异状区域微观组织为回火索氏体+少量针状及块状铁素体+少量屈氏体+极少量残余奥氏体袁与该种高强螺栓要求的正常微观组织渊回火索氏体冤不相符遥 显微形貌为准解理袁说明螺栓在淬火工艺中加热温度不高或保温时间过短袁或淬火炉局部保温效果不好袁或淬火液温度过高或冷却速度不够袁使中心区域铁素体未完全转变成奥氏体遥螺栓中存在异常组织袁虽然不是导致螺栓断裂的直接原因4袁但是也充分说明了热处理工艺控制不当
28、遥以上冲击值尧洛氏硬度尧异状区域微观组织三种不符合要求的项目袁充分说明了该批35VB高强螺栓热处理工艺控制不当遥35VB断裂失效高强螺栓螺纹部位进行脱碳检测时袁发现牙底有深度为120.02滋m半脱碳层遥螺栓牙底出现脱碳层一般有两个原因院一是原材料带入袁原始棒料未进行磨削尧磨削不彻底或原材料脱碳层太深都有可能带入最终的成品中曰二是淬火处理工艺不合理袁淬火炉无保护气氛尧保护气氛不好尧淬火炉密封性差等都可以使炉内的半成品脱碳遥脱碳层的强度尧硬度均很低袁在一定程度上降低了螺栓的疲劳性能袁易成为疲劳裂纹的萌生地袁造成过早的疲劳失效5遥3 结论与建议渊1冤 35VB高强螺栓发生断裂失效袁是由于该批次螺栓在
29、制造过程中袁热处理工艺控制不当遥建议加强热处理工艺控制遥渊2冤 35VB高强螺栓螺纹牙底存在半脱碳层袁亦是螺栓的薄弱环节遥建议加强原材料入厂检验以及控制热处理炉内气氛遥参考文献:1 高文杰加强塔吊塔身连接高强度螺栓检验的重要性J中国特种设备安全袁2009袁25(2)院43-442 惠卫军袁董瀚袁翁宇庆高强度螺栓钢的发展动向J机械工程材料袁2002袁26(11)院1-43 冯作明袁刘宏村袁王鹏威袁等耳环螺栓断裂失效分析J热加工工艺袁2016袁45(2)院250-2524 吕文涛袁钱英豪袁赵福兴袁等42CrMoE制连杆螺栓断裂失效分析J热加工工艺袁2015袁44(14)院238-2405 石楠楠袁吴晓春袁周青春表面脱碳层对H13钢热疲劳性能的影响J上海金属袁2011袁33(1)院26-28263
