特種鋼螺母開裂失效分析

風(fēng)電螺母，規(guī)格為M36，性能等級(jí)為10級(jí)，材質(zhì)為45鋼，表面熱浸鋅。該螺母用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的法蘭盤固定，安裝大約有一年時(shí)間，發(fā)現(xiàn)斷裂，在一年時(shí)間期內(nèi)，每間隔500小時(shí)維護(hù)一次。

試驗(yàn)過程與結(jié)果

斷裂螺母檢查，螺母可見一條縱向貫穿裂紋，螺母已斷裂成兩半，斷裂螺母宏觀形貌如圖13-95所示。

圖13-95 斷裂螺母宏觀形貌

螺母斷面宏觀形貌，見圖13-96。

斷面分為（A、B、C）3個(gè)區(qū)域，斷面靠近螺紋一側(cè)（A區(qū)）表面黑灰色，腐蝕嚴(yán)重；B區(qū)斷面為一斜斷面，表面灰色，與斷面A之間有一條圓弧形分界線； C區(qū)斷面為螺紋處（有一螺紋表面部分為白灰色，推測(cè)為外來的物資）

圖13-96 斷面宏觀形貌

(1)  掃描電鏡觀察

采用掃描電鏡對(duì)斷面的A區(qū)、B區(qū)觀察， A區(qū)斷面與B區(qū)斷面存在明顯的成分反差，A區(qū)表面氧化嚴(yán)重，顏色較深，而B區(qū)為新鮮斷口，顏色較淺，見圖13-97。

A區(qū)斷面表面氧化嚴(yán)重，隱約可見沿晶開裂，微觀形貌見圖13-98。

B區(qū)斷面可見韌窩形貌，此區(qū)域?yàn)槁菽傅淖罱K斷裂區(qū)，微觀形貌見圖13-99。

圖13-97   A、B區(qū)微觀形貌

圖13-98  A區(qū)斷面微觀形貌

圖13-99   B區(qū)斷面微觀形貌

掃描電鏡對(duì)C區(qū)斷面進(jìn)行能譜分析，能譜分析結(jié)果，C區(qū)斷面有較高含量的Zn、Al、O等元素，見圖13-100。

圖13-100 C區(qū)斷面形貌及能譜分析

（2）對(duì)螺母進(jìn)行金相組織檢查：

對(duì)螺母的縱向截面進(jìn)行夾雜物檢查，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10516-2005評(píng)定，螺母材料中的夾雜物為硫化物夾雜，A類，等級(jí)1.5級(jí)，如圖13-101所示。

圖13-101  夾雜物組織形貌

螺母近表面金相組織為回火索氏體，表面存在脫碳，見圖3-102。

螺母開口附近金相組織為回火索氏體＋少量鐵素體，裂紋面上有氧化層，但碳勢(shì)未見異常，見圖3-103。

圖13-102螺母表層金相組織

圖13-103螺母斷裂面附近金相組織

用直讀光譜法對(duì)螺母進(jìn)行化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分符合GB-T 699-1999標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)45鋼的要求。

對(duì)螺母進(jìn)行硬度試驗(yàn)，硬度為297HV30，符合標(biāo)準(zhǔn)GB 3098.2-2000中對(duì)10級(jí)螺母的要求。

  分析與討論

螺母裂紋面大部分區(qū)域表面氧化、腐蝕嚴(yán)重，內(nèi)側(cè)螺紋部位斷面可見涂層，外側(cè)為終斷區(qū)，所占面積很小，說明螺母開裂由內(nèi)向外發(fā)展。

內(nèi)側(cè)裂紋在表面處理之前就已存在，表面處理時(shí)浸涂溶液滲入裂紋，沒有清洗干凈而留在裂紋內(nèi)，斷口經(jīng)能譜分析，斷面有Zn、Al、Cr等元素，這些元素為表面處理過程中滲入的涂層材料。由此判斷，該裂紋在螺母表面處理之前已經(jīng)存在。

該螺母采用六方棒材加工，鉆孔后攻螺紋，再熱處理及表面處理。裂紋的產(chǎn)生只能出現(xiàn)在原材料或熱處理的淬火過程；如果是原材料裂紋，基本上是在材料表面，在熱處理過程中裂紋處還會(huì)有氧化、脫碳；而該裂紋是從內(nèi)部向外擴(kuò)展，裂紋處碳勢(shì)未見異常，可排除原材料裂紋的因素，裂紋只能出現(xiàn)在熱處理的淬火過程，為淬火裂紋。

淬火裂紋產(chǎn)生后，在表面處理過程中裂紋內(nèi)殘留了Zn、Al等元素，安裝后在自然環(huán)境中一年多的時(shí)間里被氧化和腐蝕，裂紋內(nèi)還殘留了氧化和腐蝕的產(chǎn)物。裂紋在應(yīng)力腐蝕中擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)為沿晶開裂，裂紋擴(kuò)展到一定程度，螺母所剩面積不大時(shí)，最后為韌性斷裂。

雖然螺母有裂紋存在，但安裝應(yīng)力不是很大，所以，螺母安裝時(shí)沒有開裂。如果安裝應(yīng)力過大，安裝時(shí)在應(yīng)力作用下螺母就會(huì)斷裂。

該螺母安裝后在一年的時(shí)間中，在安裝應(yīng)力作用下，又受自然環(huán)境影響，螺母裂紋處被氧化和腐蝕，裂紋在應(yīng)力腐蝕作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，最后螺母斷裂。

 結(jié)論與啟示

（1） 螺母內(nèi)側(cè)的裂紋為淬火裂紋。

（2） 由于螺母存在淬火裂紋，受安裝應(yīng)力和自然環(huán)境中腐蝕的作用，裂紋不斷擴(kuò)展，最后螺母斷裂。

（3） 風(fēng)電螺母的產(chǎn)品應(yīng)增加探傷檢查，根據(jù)產(chǎn)品批量制定抽查樣本數(shù)。