Page 69 - 理化检验-物理分册2021年第七期

谭彦显, 等: 风力发电机叶片连接用高强度螺栓断裂原因

为找到该风力发电机叶片连接用高强度螺栓的 曲弧线的逆向, 可找到裂纹源区, 位于螺纹顶部; 沿
断裂原因, 笔者进行了一系列检验与分析, 以期减少 着裂纹扩展方向, 可看到光亮细腻的裂纹扩展区, 而
该类事故的频繁发生。 粗糙的瞬断区所占面积很小, 说明最终导致螺栓断
裂的外力较小, 断口整体形貌如图 1b ) 所示。该螺
1 理化检验
栓断口存在 3 个较明显的特征区域, 即裂纹源区、 裂
1.1 宏观观察 纹扩展区、 瞬断区, 表明该螺栓断裂形式为疲劳断
对断裂螺栓进行观察, 其宏观形貌如图 1 所示。 裂。图 1c ) 为螺栓断口处螺纹顶部开裂形貌, 可见
可见 断 裂 位 于 限 位 开 关 及 叶 片 零 刻 度 附 近, 如 是沿螺纹牙顶中心位置开裂, 且该位置与断口裂纹
图 1a ) 所示。对断口进行超声波清洗, 然后 进行观 源区重叠, 进一步表明裂纹源位于螺纹顶部中心, 判
察, 可见断口有大面积较明显的海滩状花纹, 根据弯 断断裂应与螺纹顶部内某些缺陷有关。

图 1 断裂螺栓断口宏观形貌

Fi g 1 Macromor p holo gy offractureoffracturedbolt

a fracture p osition b mor p holo gy ofoverallfracture c mor p holo gy oftheto pofthread
1.2 扫面电镜分析 表 1 断裂螺栓的化学成分( 质量分数)

采用 TESCAN VEGA3 型扫描电镜( SEM ) 对 Tab 1 Chemicalcom p ositionsoffracturedbolt massfraction %
断口进行观察, 图 2a ) 为裂纹源区的 SEM 形貌, 可 元素 C Si Mn S P Cr Mo
实测值 0.40 0.17 0.73 0.003 0.013 1.03 0.20
见该区域存在明显的贝壳状条带花纹; 图 2b ) 为瞬
标准值 0.38~ 0.17~ 0.50~ ≤ ≤ 0.90~ 0.15~
断区的 SEM 形貌, 可见清晰的解理台阶和河流花 0.45 0.37 0.80 0.025 0.025 1.20 0.25
样, 为典型的脆性断裂特征。
1.4 力学性能试验

根据 GB / T228.1-2010 《 金属材料 拉伸试验

第 1 部分: 室温试验方法》 的技术要求加工拉伸性能

试样, 试样直径为 5mm 。冲击试验的试样尺寸为
ϕ

10mm×10mm×50mm 。采用 HR-150 型数显洛
氏硬 度 计、 WAW-600 型 电 液 伺 服 材 料 试 验 机 及
JBD-450W 型全自动摆锤冲击试验机进行力学性能
试验, 结果如表 2 所示, 可见螺栓的各项力学性能均

符合 GB / T3098.1-2010 《 紧固件机械性能 螺栓、
图 2 断裂螺栓断口 SEM 形貌
螺钉和螺柱》 对 42CrMo钢的技术要求。

Fi g 2 SEM mor p holo gy offractureoffracturedbolt
表 2 断裂螺栓的力学性能试验结果

a cracksourcearea b transientfracturearea
Tab 2 Testresultsofmechanical p ro p ertiesoffracturedbolt
1.3 化学成分分析
规定非比例 抗拉 断后 断面 冲击吸收 洛氏

用碳硫分析仪和 O p tima8000 型等离子发射光
项目 延伸强度 强度 伸长率 收缩率 能量 硬度 /
谱对断裂螺栓的化学成分进行分析, 结果如表 1 所
/
/
/
R p 0.2 MPaR m MPa A / % Ψ / % K V2 J HRC

示, 可见化学成分符合 GB / T3077-2015 《 合金结 实测值 1073 1148 13.3 52.1 92 , 90 , 9236 , 36 , 37

构钢》 对 42CrMo钢的技术要求。 标准值 ≥940 ≥1040 ≥9.0 ≥48.0 ≥27 32~39
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