端盖螺栓失效分析

2024-02-23刘亮

热处理技术与装备 2024年1期

刘亮

(安徽省特种设备检测院,安徽合肥 230051)

螺栓是小汽轮机的重要紧固件,用于连接上下汽缸,保证小汽轮机做功过程中不发生蒸汽泄漏,确保汽轮机安全运行。小汽轮机汽缸端盖螺栓运行过程中承受较大的紧固拉应力、较高的温度和负荷变化带来的交变应力,因此对材料的抗松弛性能、高温持久性能和韧性有较高的要求[1-6]。某发电厂2号机组小汽轮机端盖螺栓在使用过程中发生断裂致使该机组小汽轮机停运,采用光谱分析、硬度检测、金相组织观察、力学性能测试等方法对失效螺栓进行分析,阐述了螺栓失效的原因。

1 宏观分析

图1为发生断裂的螺栓宏观形貌。该螺栓在螺纹区靠近光杆的第4圈螺牙位置断裂,断口表面平整,无明显塑性变形。断面呈典型的疲劳断口特征,瞬断区断口保留有金属光泽,扩展区存在明显的裂纹延伸条纹,起裂区断口较为粗糙,紧靠边缘的位置存在台阶形貌。

图1 断裂螺栓宏观形貌Fig.1 Macro morphology of broken bolt

2 理化检验

2.1 金相检验

在螺栓断口起裂区位置切取金相试样,将试样磨制和抛光后,采用硝酸乙醇溶液腐蚀,并使用金相显微镜进行金相组织观察。图2为断裂螺栓的金相组织。图2(a)和2(b)中可观察到螺栓起裂区螺牙根部存在裂纹。图2(c)和2(d)中可见主裂纹附近伴生有二次裂纹,裂纹内部填充有氧化物。图2(f)和2(g)中可见第一圈螺牙根部和第二圈螺牙根部均存在裂纹,裂纹沿原奥氏体晶界扩展。图2(e)中可见螺栓基体组织为马氏体组织,部分碳化物聚集在原奥氏体晶界位置。

(a)断口附近纵截面;(b)图2a中圆圈内起裂区高倍形貌;(c)图2a中方框区域主断口附近形貌;(d)图2c中圆圈区域裂纹高倍形貌;(e)螺栓基体显微组织;(f)图2a中断口下方第二圈螺牙根部形貌;(g)图2a中断口下方第一圈螺牙根部形貌

2.2 化学成分分析

在断裂螺栓上切取光谱试样,利用光谱仪进行化学成分分析,结果见表1。结果表明螺栓化学成分在标准1.6772(20NiCrMo15-4)的元素要求值范围内。

表1 化学成分分析结果(质量分数,%)

2.3 硬度检验

在金相试样表面进行布氏硬度检验,载荷为187.5 kgf,加载时间为20 s,结果见表2。结果表明螺栓的硬度均匀性较好。

表2 硬度检测结果

2.4 拉伸试验

按照标准要求在螺栓上截取纵向拉伸试样,在100 kN电子万能试验机上进行室温拉伸试验,结果见表3。结果表明,螺栓的抗拉强度接近20CrNi4Mo性能指标的下限,屈服强度低于要求。

表3 拉伸试验结果

2.5 冲击试验

在螺栓上沿纵向切取10 mm×10 mm×55 mm的冲击试样,采用PTM2200型摆锤冲击试验机,选用150 J的摆锤进行室温冲击试验,结果见表4。结果表明螺栓具有较高的冲击韧性。

表4 冲击试验结果

2.6 扫描电镜分析

利用扫描电子显微镜对金相试样和断口进行微观形貌观察。图3为螺栓断口SEM形貌。图3(a)中可见起裂区呈现脆性解理断口特征,图3(b)和图3(c)中扩展区和瞬断区为韧窝聚集型断口,呈现韧性断裂特征。

(a)起裂区;(b)扩展区;(c)瞬断区

图4为断口附近以及螺牙根部的SEM形貌。图4(a)和4(b)中可见主断口附近起裂区存在两处沿原奥氏体晶界扩展的裂纹,裂纹较细,呈折线状扩展,部分颗粒状碳化物在附近析出聚集。图4(c)中可见螺牙根部存在局部微损伤,附近存在一条沿原奥氏体晶界扩展的微裂纹,裂纹附近有大量碳化物析出聚集。

(a)起裂区附近 750×;(b)图4a中圆圈区域形貌 3000×;(c)螺牙底部裂纹形貌4000×

3 结果分析

在高强度淬火钢中,沿原奥氏体晶界分布的碳化物的存在,会对钢的延迟破坏性能产生不利的影响。作为钢中主要的碳化物形成元素铬,以碳化物的形式在原奥氏体晶界位置析出,造成附近区域贫铬,使得固溶强化作用减弱,同时硬脆的碳化物在薄弱的原奥氏体晶界聚集,割裂了基体,降低了材料强度。本试验螺栓的抗拉强度处于下限,屈服强度低于标准要求,组织中原奥氏体晶界位置存在大量析出聚集的碳化物,同时螺牙根部的微裂纹和主断口附近二次裂纹均沿原奥氏体晶界扩展。因此推测试验螺栓可能存在热处理控制不严的问题,使组织中大量碳化物在原奥氏体晶界析出聚集,降低了固溶强化效果,割裂了基体,导致材料抗拉强度处于标准规定的下限,屈服强度低于标准要求。同时根据螺牙根部的微损伤和多条微裂纹的存在,推测安装过程中可能存在过紧的现象,导致应力集中的螺牙根部产生微裂纹。