Page 89 - 理化检验-物理分册2022年第十期
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王甲安, 等: 风电机组高强螺栓断裂原因
区3 个典型区域。图5b ) 为裂纹源区 A 附近的微观 貌, 断面形貌比较粗糙, 存在撕裂棱以及二次裂纹。
形貌, 裂纹形成于螺纹牙根处, 有多源开裂特征; 图 为进一步分析螺栓断裂原因, 从断口裂纹源区至瞬
5c ) 为扩展区 B 附近的微观形貌, 扩展区可见大量的 断区方向纵向截取试样, 并对其进行观察, 结果如图
孔洞以及裂纹扩展台阶, 这些扩展台阶呈不同方向 6 所示, 在裂纹源区可见沿着螺纹牙根向内部扩展
的同心圆弧分布; 图 5d ) 为瞬断区 C 附近的微观形 的微裂纹。
图 5 螺栓断口 SEM 形貌
铁素体。螺纹表面存在明显的脱碳层组织, 这与化
学成 分 分 析 结 果 一 致, 其 平 均 脱 碳 层 深 度 约 为
23.5 μ m , 远高于标准要求。显微 硬 度 测 试 结 果 显
示, 螺栓截面心部显微硬度约为 368 HV , 而螺栓表
面显微硬度约为 133 HV , 进一步证明了螺栓表面
发生了严重的脱碳, 螺栓表面显微硬度不符合标准
要求。表面脱碳层的形成会降低螺纹表面材料的性
能, 尤其在螺纹牙根处, 脱碳层组织与基体组织之间
图 6 螺栓牙根 SEM 形貌
膨胀系数的不同会在螺纹根部引起较大的应力集
1.5 显微硬度测试 中, 使螺纹表面形成微裂纹 [ 6-7 ] 。
利用 402MVD 型硬度计在螺栓截面外表面及 为了改善螺栓显微组织, 得到理想的回火索氏
其心部位置进行显微硬度测试, 各测试 5 点硬度再 体组织, 在机械加工完成后要对螺栓进行调质处理,
取平均值, 结果如表 2 所示。由表 2 可知: 螺栓表面 [ 8-9 ]
以提高螺栓的强度和抗疲劳性能 。断裂螺栓显
显微硬度平均值为 133 HV , 螺栓心部显微硬度平 微组织中含有过多线性分布的条状夹杂物和无规则
均值为 368HV , 螺栓表面硬度明显低于心部硬度。 分布的球状夹杂物。有研究 [ 10-11 ] 表明: 夹杂物与基
根据 GB / T3098.1 — 2010 要求, 10.9 级螺栓显微硬 体的弹塑性存在较大差异, 夹杂物的存在破坏了金
度为 320~380HV , 断裂螺栓表面显微硬度不符合 属基体的均匀性和连续性; 另外, 夹杂物周围易形成
标准要求。 应力集中, 从而引起夹杂物本身开裂或使基体与夹
表 2 螺栓截面试样显微硬度测试结果 HV [ 12 ]
杂物界面处开裂 , 使夹杂物发生破碎、 脱落而形
测试次数
位置 平均值 标准值 成微小孔洞, 螺栓承载面积减小, 其服役性能降低。
1 2 3 4 5 断口上的扩展区占据大部分面积, 扩展区可见明显
螺栓表面 135 138 128 130 134 133 大量的微小孔洞以及裂纹扩展台阶, 直至瞬断区。
320~380
螺栓心部 366 365 372 371 364 368 经过分析可知, 螺栓的断裂是服役 8a 以来内部损
伤不断积累引起的, 而非瞬时过载断裂。
2 综合分析
一般情况下, 螺栓受力较复杂, 特别是基础环与
化学成分分析结果表明: 断裂螺栓心部位置各 第一节塔筒连接的高强螺栓, 其不仅要承受风力变
元素含量均符合 GB / T3077 — 2015 的要求, 但是螺 化时产生的轴向应力和弯矩产生的弯曲应力, 还要
栓表面碳含 量仅为 0.009% , 远低于标准要求。螺 承受扭转时产生的剪切应力, 当螺栓安装拧紧力不
栓心部截面显微组织为回火索氏体, 伴有少量块状 均匀时, 受力较大的螺栓在三向应力作用下受到循
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