劉 亮

(安徽省特種設(shè)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(fā)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(yīng)力、較高的溫度和負(fù)荷變化帶來的交變應(yīng)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(fā)電廠2號機組小汽輪機端蓋螺栓在使用過程中發(fā)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(xué)性能測試等方法對失效螺栓進(jìn)行分析,闡述了螺栓失效的原因。

1 宏觀分析

圖1為發(fā)生斷裂的螺栓宏觀形貌。該螺栓在螺紋區(qū)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(qū)斷口保留有金屬光澤,擴展區(qū)存在明顯的裂紋延伸條紋,起裂區(qū)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(qū)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(jìn)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(qū)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(nèi)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(nèi)起裂區(qū)高倍形貌;(c)圖2a中方框區(qū)域主斷口附近形貌;(d)圖2c中圓圈區(qū)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(xué)成分分析

在斷裂螺栓上切取光譜試樣,利用光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。結(jié)果表明螺栓化學(xué)成分在標(biāo)準(zhǔn)1.6772(20NiCrMo15-4)的元素要求值范圍內(nèi)。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2.3 硬度檢驗

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

表2 硬度檢測結(jié)果

2.4 拉伸試驗

按照標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行室溫拉伸試驗,結(jié)果見表3。結(jié)果表明,螺栓的抗拉強度接近20CrNi4Mo性能指標(biāo)的下限,屈服強度低于要求。

表3 拉伸試驗結(jié)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(jìn)行室溫沖擊試驗,結(jié)果見表4。結(jié)果表明螺栓具有較高的沖擊韌性。

表4 沖擊試驗結(jié)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(jìn)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(qū)呈現(xiàn)脆性解理斷口特征,圖3(b)和圖3(c)中擴展區(qū)和瞬斷區(qū)為韌窩聚集型斷口,呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

(a)起裂區(qū);(b)擴展區(qū);(c)瞬斷區(qū)

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(qū)存在兩處沿原奧氏體晶界擴展的裂紋,裂紋較細(xì),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(qū)附近 750×;(b)圖4a中圓圈區(qū)域形貌 3000×;(c)螺牙底部裂紋形貌4000×

3 結(jié)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(chǎn)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(qū)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(dǎo)致材料抗拉強度處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限,屈服強度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。同時根據(jù)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(xiàn)象,導(dǎo)致應(yīng)力集中的螺牙根部產(chǎn)生微裂紋。

4 結(jié)論

由于螺栓的熱處理控制不嚴(yán),組織中大量碳化物析出聚集在原奧氏體晶界位置,導(dǎo)致材料強度降低。同時安裝時過大的緊固力矩導(dǎo)致螺牙根部應(yīng)力集中位置產(chǎn)生微損傷(微裂紋),在高應(yīng)力狀態(tài)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(yīng)力,最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞斷裂。