钢制拉伸器螺母开裂失效分析

2019-02-27张向军

热处理技术与装备 2019年6期

张斌，张向军，王宇

(1.清华大学天津高端装备研究院，天津 300300； 2.清华大学摩擦学国家重点实验室，北京 100084)

液压拉伸器是在石油石化、发电设备、铁路系统、船舶、航空航天、采矿、重型机械等领域应用广泛的螺栓预紧和拆卸工具[1]。液压拉伸器精度高，无扭剪力和侧向力，可以极大地增加螺栓连接的质量和安全性能；摩擦系数的影响可以降低到忽略不计，当多个拉伸器同时使用时可以通过自动控制系统实现同步拉伸。同时，因无相对滑动，可以有效降低接触面的摩擦磨损。联接组件受力均匀，操作及拆装简便，适用性强，适合不同直径的螺栓使用，螺栓联接的可靠性高[2-3]。因此螺栓拉伸器在对预紧力要求较严的场合应用更为广泛，可以极大地提高施工工作效率，是精确控制螺栓预紧力的最佳方法。

但是在实际的使用过程中，偶有拉伸器在远未达到使用寿命的时候发生断裂的情况发生。给使用者带来很大的危险及经济损失。为研究此现象发生的原因，有必要进行断裂机理分析并通过失效分析找到原因，以减少企业的经济损失，同时，也为拉伸器的使用方法及在失效早期及时发现提供借鉴，避免安全事故的发生。

1 宏观形貌观察

对断裂失效的拉杆组合后如图1所示，螺母上有3条轴向贯穿裂纹，如图2中箭头1、2、3所示，沿倒角圆周有裂纹延伸，各裂纹处无明显变形的迹象，如图3所示。

图1 拉杆组合形貌

图2 螺母裂纹位置示意图

图3 螺母裂纹位置示意图

2 微观断口观察

在螺母断口的断裂源区域取样，在扫描电镜下观察，见图4，其显微断口形态呈韧窝状，属韧性断裂，沿条状夹杂物有疲劳辉纹产生[4-6]。如图5所示，断裂源区发现有条带状非金属夹杂物，能谱成分分析结果见图6，主要成分为硫化锰。断口中其它区域微观形态也均呈韧窝状，均未出现明显的脆断特征。

图4 断口断裂源区形貌

图5 断裂源夹杂物微观形貌

图6 断裂源区夹杂物形貌及成分分析

3 化学成分分析

在拉杆断裂失效件上分别对螺杆和螺母取样进行化学分析，其结果见表1。从化学分析结果可以看出，除S含量高于成分要求外，其余元素均在要求范围内。

表1 断裂失效件化学成分(质量分数，%)

4 力学性能试验

1)硬度测量。分别测量螺母和螺杆的洛氏硬度，结果见表2。

表2 洛氏硬度测量值(HRC)

分别测量螺母和螺杆从边界到心部的维氏硬度，距离间隔为0.1 mm，检测结果未发现明显的硬度降。部分检测结果见表3。

表3 维氏硬度测量值

2)拉伸和冲击试验。在螺杆上取二个拉伸样品，样品编号分别为L1、L2；三个冲击样品，样品编号分别为C1、C2、C3。检测结果见表4。

表4 失效件力学性能

5 断口电镜观察[7]

1)拉伸断口。宏观观察样品L1的断口为杯锥状，断口呈灰色无光泽。正断区在断口中间区域，其周围存在剪切唇，有明显的延伸和面缩等变形特征，是明显的塑性断裂特征，见图7。在扫描电镜下观察纤维区断口形态为韧窝，韧窝小而浅。剪切唇与纤维区相邻，表面光滑，与拉应力方向成45°角，形状如杯，微观形态为变形的韧窝，见图8。纤维区和剪切唇越大，则材料的塑性、韧性越好，此时会出现纤维区直接与剪切唇相连接的特征。

图7 L1样品拉伸断口宏观形态

图8 L1样品剪切唇微观形态

样品L2断口呈灰色无光泽。正断区在断口中间区域，其周围存在很窄的剪切唇，从整个断口形态上看，有一定程度的延伸和面缩等变形特征，但其塑性断裂特征不是很明显，见图9。在扫描电镜下观察纤维区断口形态呈韧窝状+少量解理状，韧窝小而浅。在裂纹源区存在细小的微裂纹，裂纹附近有很多硫化锰夹杂物，见图10。放射区微观形态呈韧窝状+少量解理状。剪切唇微观形态呈变形的韧窝状+少量解理状。分别对解理状与韧窝状区域进行能谱成分分析，发现存在微小的成分偏析。

2)冲击断口。观察宏观断口形态，3个试样的破坏均是从V形缺口的根部开始，纤维区在此处形成，然后是放射区，其他2个侧面形成剪切唇。这三个区域连接的边界呈弧形，见图11。在扫描电镜下，进一步观察冲击断口的断裂特征，断口启裂区的微观形态均呈韧窝状，但是试样C3的韧窝比其他2个大而深，见图12，3个试样其它区域的微观形态也呈韧窝状。