(2.125)--联轴螺栓失效分析.ppt

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1、 联轴螺栓失效分析联轴螺栓失效分析1.背景简述2.试验及分析 2.1化学成分分析 2.2力学性能分析 2.3金相组织分析 2.4宏观断口分析 2.5微观断口分析 2.6氢含量分析3.综合分析4.结论及建议1.背景简述 某厂制造了一批尺寸为 200 1 050 mm，材质为 35CrMo 的联轴螺栓锻件，机加工至图纸尺寸交货。在电站现场安装预紧时其中一根联轴螺栓断裂为两截。图 1 为断裂位置示意图，从图中可以看出断裂位置位于小直径向大直径过渡轴肩 R 处;图 2 为联轴螺栓宏观照片，从图中可以看出螺栓无明显的宏观塑性变形，断口表面部分发生锈蚀。2.试验及分析 2.1 化学成分分析 采用 OXFO

2、RD 公司 ARC MET8000 型直读光谱仪对断裂螺栓进行化学成分分析，其实测结果见表 1，可以看出，螺栓化学成分符合技术要求。元素元素CMnSiPSGrMo标准值0.320.400.400.700.170.370.0250.0250.801.100.150.25实测值0.330.470.260.010.0150.900.17表12.2力学性能分析 在断裂螺栓半径 1/2 处取纵向拉伸试样 2 件和纵向冲击试样 3 件，拉伸试验在 AG 250 型万能电子拉伸机上进行，拉伸试样为圆柱形光滑拉伸试样，平行段直径为 10 MM;冲击试验在 CBD 300 型摆锤冲击试验机上进行，冲击试样尺寸为

3、 10 MM 10 MM 55 MM，开 U 形缺口;硬度试验在 HB 3000B 型布氏硬度试验机上进行，测试结果如表 2 所示，符合技术要求项目目Rp0.02(0.02)/MPaRm(b)/MPaA(5)/%Z()/%KU2/JHB标准值53968693053207实测值61080017.653.570、62、5523658078018.060.5表22.3.金相组织分析 对焊接部位取样进行金相组织分析，图(4a)位于焊缝接头位置，母材区的放大照片见图(4b)，金相组织为回火索氏体;图(4c)为热影响区的过热区，金相组织为回火索氏体+铁素体+珠光体+魏氏组织，粗晶区部分晶粒粗大，最大晶粒度

4、可达 3级;焊缝区的放大照片见图(4d)，金相组织为贝氏体+铁素体。从金相照片中可以看出，由于焊接时温度过高，导致热影响区和熔合区出现魏氏组织，原始奥氏体晶粒长大，这将严重降低热影响区的材料性能。图4 焊接部位金相组织 对螺栓心部取样进行金相组织分析，螺栓心部未淬透，存在纵向、带状分布的铁素体、珠光体条带，如图 5 所示。带状组织使钢在垂直于轧制方向的伸长率、断面收缩率及冲击值降低图5 螺栓心部金相组织2.3.金相组织分析2.4 断口宏观分析 图 6 为带螺母侧螺栓的断口形貌，断口较平整，粗糙，可见闪光小刻面，为典型的脆性断裂。在断裂螺栓边缘处发现两处裂纹源见图 6(A)，可见起裂点向四周发散

5、的放射状花样见图 6(B)和图 6(C)。边缘最外端有剪切唇，为最后瞬断区。从断口的宏观形貌判断，裂纹是从边缘处萌生并向内扩展，当裂纹扩展到一定尺寸后，单位面积承载的强度超过材料的抗拉极限，使得最后连接部位瞬间断裂。图62.5 断口的微观分析 采用日立 S3700 型扫描电镜对源区附近进行微观断口分析，如图 7 所示，从断口形貌可以看出典型的“冰糖状”花样，并伴有鸡爪痕特征，裂纹以沿晶方式进行扩展。图72.6 氢含量分析取取样位置位置氢含量含量中心0.13铺焊区7.62表 3 螺柱不同部位氢含量检验结果 ppm 为确定断裂螺栓中心附近和铺焊区的氢含量情况，在螺栓中心附近和铺焊区取样进行氢含量测

6、定，测定结果如表 3 所示，氢含量测量结果表明，焊缝区的氢含量大于螺栓中心部位。一般而言，氢含量超过 2.7 ppm 时，金属材料将会出现氢脆现象，铺焊区氢含量明显高于产生氢脆对氢含量的下限要求，表明铺焊区有产生氢致裂纹的倾向性。3.综合分析 由化学成分分析结果表明，材料化学成分符合标准要求；力学性能试样取自半径 1/2 处，表明此位置的力学性能符合标准要求。由此可判断，原材料不是导致该螺栓断裂的原因。经过低倍酸洗和金相分析后，发现该螺栓未经批准违规铺焊。该批螺栓制造时正处于雨季，空气湿度大，制造厂未对铺焊用焊条进行烘干，焊后也未进行焊后消除残余应力退火，也未进行焊接工艺评定。断口分析结果表明

7、，该螺栓断口附近无明显塑性变形，断面较平齐，呈亮灰色，微观断口沿晶分离，晶面上伴有鸡爪痕，这些都是氢脆的典型断口形貌。氢含量分析表明，焊缝区的氢含量相对于螺栓心部有异常变化。此螺栓铺焊区的氢质量分数超过极限值，表明该螺栓起裂原因为氢脆4.结论及建议结论及建议 结论：螺栓断裂是由于铺焊时产生氢脆裂纹，在焊接残余应力和预紧加载的拉伸力下优先在 R 过渡的应力集中处延伸扩展;同时，材料内部出现降低材料的综合性能的原始奥氏体晶粒粗大、魏氏组织和带状组织，引起裂纹的迅速扩展，随着螺栓的受力 截面变小，应力变大，最终导致螺栓脆断失效。建议：1.建议对此类螺栓增加表面硬度检测，以确定螺栓表面硬度的均匀性。2.建议在焊接时严格遵守操作规范，不要在潮湿环境下焊接，并且焊接前注意清理工件，烘干焊条。3.焊后进行去应力退火，消除焊接残余应力。