Page 71 - 理化检验-物理分册2021年第七期
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谭彦显, 等: 风力发电机叶片连接用高强度螺栓断裂原因


                                                                   通常认为, 螺纹的滚压成形工艺在表面会形成
            2  分析与讨论
                                                               压应力, 有助于疲劳寿命的提高, 因而滚压成形工艺
            2.1  断裂原因分析                                        在螺纹的加工中被广泛采用              [ 11 ] 。但实际上滚压成
                 由图 2 的断口 SEM 形貌可知, 在断裂 螺栓的                    形的螺纹由于外侧表面受到挤压, 螺纹顶部的中心
            裂纹源区存在疲劳断裂形成的贝壳状条带花纹, 瞬                            会产生反作用力, 使该处实为拉应力状态。由图 5
            断区呈脆性断裂特征, 属于典型的疲劳断裂。疲劳                            可知螺纹根部无微裂纹, 也证明了螺纹顶部中心位
            断裂分为裂纹源的萌生、 裂纹缓慢扩展和瞬断 3 个                          置为拉应力状态, 满足了应力腐蚀开裂为拉应力状
            阶段, 疲劳寿命即为这 3 阶段之和。裂纹源的萌生                          态的条件。螺纹在滚压成形过程中, 由于加工硬化
            和扩展决定了疲劳寿命的长短, 尤其是第一阶段在                            导致材料的塑性变形抗力增大, 硬度和强度提高, 而
            构件的疲劳总寿命中常常占有很大比例                   [ 7 ] 。疲劳裂     塑性和韧性下降, 也极大地增加了在螺纹顶部产生
            纹源的萌生与很多因素有关, 如表面粗糙度、 表面应                          微裂 纹 和 折 叠 等 缺 陷 的 可 能      [ 12 ] , 虽 然 在 GB / T
            力状态、 循环载荷的大小及零件原材料自身的某些                           5779.1-2000 《 紧固件表面缺陷 螺栓、 螺钉和螺柱

            缺陷等。如果零件原材料已具备可直接扩展的裂纹                             一般要求》、 GB / T5779.2-2000 《 紧固件表面缺陷

            源, 则无裂纹源的萌生阶段, 使零件的疲劳寿命大大                          螺母》 中允许螺栓内部存在不影响使用的裂纹, 但如
            降低, 造成零件的早期疲劳断裂。该断裂螺栓的疲                            图 1c ) 所见, 螺栓会沿这一缺陷位置开裂, 降低力学
            劳裂纹源位于螺纹处, 如图 1b ) 所示, 而在图 1c ) 中                  性能。笔者认为, 经先调质后滚压成形的螺纹, 因受
            可清楚地看到螺纹沿顶部中间开裂, 说明螺纹中间                            到加工硬化的影响, 其材料变形抗力增大, 增加了螺
            ( 顶部) 为疲劳裂纹源。由金相检验结果可知, 不管                         纹的表面缺陷, 导致螺纹顶部偏中心处极易出现应
            是断口处螺纹或远离断口其他位置螺纹的顶部都存                             力腐蚀裂纹, 对此螺栓的生产企业和使用单位应予
            在树枝状的微裂纹, 且位置与图 1c ) 裂纹的一致, 为                      以重视。

            螺纹顶部偏中心处, 证明螺纹顶 部为疲劳裂纹源。                               由于 GB3098.1-2010 中对螺纹的脱碳层深度
            因此判断早期疲劳断裂的原因是螺纹顶部存在微裂                             有严格要求, 为了避免脱碳, 生产企业在生产高强度
            纹源。                                                螺栓时往往采用先调质后滚压成形的机械加工成形
            2.2  螺纹顶部微裂纹形成原因分析                                 方法, 但该方法很难避免螺纹缺陷的产生, 引起腐蚀
                 由图 6 可知, 螺纹顶部偏中心位置均存在树枝                       疲劳断裂。
            状微裂纹。有文献         [ 8-9 ] 指出, 应力腐蚀裂纹常常产生
                                                              3  结论及建议
            大量分叉, 并在大致垂直于影响其产生及扩展的应
            力方向上连续扩展; 且在检验过中, 将金相 试样放                              XE112-2000 型风力发电机叶片连接用高强度

            置 2~3d后观察, 裂纹更加清晰, 具有延滞开裂的                         螺栓的断裂形式为腐蚀疲劳断裂。主要原因是螺栓
            特点, 与应力腐蚀开裂的特点吻合               [ 10 ] 。应力腐蚀开       的螺纹成形工艺为先调质后滚压成形, 滚压成形的
            裂通常是在很低的拉应力及腐蚀介质联合作用下,                             螺纹由于外侧表面受到挤压使顶部实为拉应力状
            沿某些冶金、 焊接或结构缺陷( 包括尖角、 内应力集                         态, 又因为螺栓受到加工硬化的影响, 其材料变形抗
            中处) 优先腐蚀形成裂纹源。由螺栓成形工艺可知,                           力增大, 增加了螺纹产生微裂纹和表面缺陷的可能,
            该螺栓先调质处理后滚压成形, 使得螺纹根部、 顶部                          导致螺纹顶部偏中心处产生应力腐蚀裂纹, 在之后
            及侧面显微组织具有纤维状的流线变形形态如图 4                            的服役过程中, 由于疲劳作用, 裂纹处产生应力集
            所示, 这种加工成形方式虽然避免了调质时的高温                            中, 导致裂纹快速扩展, 最终发生腐蚀疲劳断裂。

            氧化脱碳现象, 使材料易于满足 GB3098.1-2010                          为减少螺纹缺陷, 避免腐蚀疲劳断裂, 材料应在
            不脱碳的要求。但材料在调质处理后强度高, 滚压                            具有较高的塑性和韧性时进行加工, 使滚压产生的
            成形后形成的残余内应力较大, 容易突破应力腐蚀                            残余应力小于应力腐蚀开裂门槛值。为减少表面缺
            开裂门槛值, 为应力腐蚀开裂提供了条件, 其次应力                          陷, 建议在调质处理后, 采用热滚压的方法, 加工前
            腐蚀开裂对其环境的要求并不十分荷刻, 如潮湿的                            先退火以降低变形抗力, 再进行滚压成形, 最后进行
            空气、 海洋气氛、 工业环境、 农村环境都有可能引发                         调质处理来提高材料的强度, 且调质处理应在还原
            零件的应力腐蚀开裂。                                         性气氛炉内进行, 以避免螺纹的氧化脱碳。同时, 为
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