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預緊力不足+材料高溫松弛緊固件斷裂情況 看破安全隱患



發布時間:2019/11/1 15:33:00 點擊次數:302次

1. 概述

現有失效組合件2套,斷裂雙頭螺柱殘件1枚,完好螺柱2枚。螺柱規格為M8×24,制造工藝為;材料入庫-落料-熱處理(淬火溫度1080℃,保溫160min,回火溫度700℃,保溫180min)-磨床加工-數控加工-搓絲。據了解,螺柱為柴油機臺架耐久試驗時發生斷裂,試驗時間為20~300小時不等,螺柱安裝扭矩為18~23N·m,最高工作溫度500℃,且此類失效并不是偶然現象,耐久試驗經常發生螺柱斷裂情況,并存在松動現象,現要求分析其斷裂原因。圖1所示為耐久試驗現場照片,螺柱服役過程中承受交變載荷,且存在溫度過高的情況。圖2所示為其試樣宏觀形貌,將兩套組合件分別標記為1#和2#,其中1#組合件斷裂3枚螺柱,2#組合件斷裂2枚螺柱。1#組合件選取2枚螺柱,2#組合件選取1枚螺柱進行重點分析,螺柱位置如圖2中紅框所示,分別標記為1#-1、1#-2、2#-1。圖3所示為1#-1斷裂螺柱宏觀形貌,可見斷裂發生于螺柱與法蘭螺紋孔配合首牙處。圖4所示為1#-2斷裂螺柱宏觀形貌,可見斷裂發生于螺母側螺紋收尾處。圖5所示為2#-1斷裂螺柱宏觀形貌,可見斷裂發生于螺柱與法蘭螺紋孔配合首牙處。

圖1  耐久試驗現場照片

圖2  試樣宏觀形貌

圖3  1#-1斷裂螺栓宏觀形貌

圖4  1#-2斷裂螺栓宏觀形貌

圖5  2#-1斷裂螺栓宏觀形貌

2. 斷口分析

圖6所示為1#-1螺柱斷口電鏡低倍形貌,斷裂發生于螺紋牙底,斷口平整,無明顯塑性變形。斷口上下邊緣均可見明顯的輪輻狀臺階,斷面隱約可見“海灘花樣”。將斷口分為A1、B1、C1、D1四個區域進一步描述。

圖6  1#-1螺柱斷口電鏡低倍形貌

圖7所示為A1區微觀形貌,可見明顯的疲勞輝紋。

圖7  A1區微觀形貌

圖8所示為B1區微觀形貌,可見明顯的疲勞輝紋。

圖8  B1區微觀形貌

圖9所示為C1區微觀形貌,可見明顯的疲勞輝紋。

圖9  C1區微觀形貌

圖10所示為D1區微觀形貌,可見明顯的疲勞輝紋。

圖10  D1區微觀形貌

圖11所示為1#-2螺柱斷口電鏡低倍形貌,斷裂發生于螺紋牙底,斷口平整,無明顯塑性變形。斷口邊緣均可見明顯的輪輻狀臺階,斷面隱約可見“海灘花樣”。將斷口分為A2、B2、C2、D2四個區域進一步描述。

圖11  1#-2螺柱斷口電鏡低倍形貌

圖12所示為A2區微觀形貌,可見明顯的疲勞輝紋。

圖12  A2區微觀形貌

圖13所示為B2區微觀形貌,可見明顯的疲勞輝紋。

圖13  B2區微觀形貌

圖14所示為C2區微觀形貌,可見明顯的疲勞輝紋。

圖14  C2區微觀形貌

圖15所示為D2區微觀形貌,可見明顯的韌窩形貌。

圖15  D2區微觀形貌

圖16所示為2#-1螺柱斷口電鏡低倍形貌,斷裂發生于螺紋牙底,斷口平整,無明顯塑性變形。斷口上邊緣均可見明顯的輪輻狀臺階,斷面可見明顯的“海灘花樣”。將斷口分為A3、B3、C3、D3四個區域進一步描述。

圖16  2#-1螺柱斷口電鏡低倍形貌

圖17、圖18所示為A3、B3兩區微觀形貌,斷面存在明顯的覆蓋物,未發現典型的斷口學特征。圖19、圖20所示為A3、B3兩區能譜分析結果,可見覆蓋物主要成分為氧化鐵,并存在少量鉻元素。

圖17  A3區微觀形貌

圖18  B3區微觀形貌

圖19  A3區能譜分析結果

圖20  B3區能譜分析結果

圖21所示為C3區微觀形貌,可見明顯的疲勞輝紋。

圖21  C3區微觀形貌

圖22所示為D3區微觀形貌,可見明顯的剪切韌窩。

圖22  D3區微觀形貌

3. 金相檢測

截取1#-2及2#-1螺柱斷口附近縱截面進行金相觀察。圖23所示為1#-2螺柱斷口附近金相組織,可見斷裂起始于螺紋牙底。斷口附近螺紋牙底未發現明顯的脫碳現象,但可見明顯的折疊缺陷(圖24所示)。

圖23  1#-2螺柱斷口附近金相組織

圖24  1#-2螺柱斷口附近螺紋牙底金相組織

圖25所示為1#-2螺柱完好螺紋金相組織,未發現明顯的脫碳現象,但螺紋牙底存在明顯的折疊缺陷(圖26所示)。

圖25  1#-2螺柱完好螺紋金相組織

圖26  1#-2螺柱完好螺紋牙底金相組織

圖27所示為1#-2螺柱螺紋收尾處金相組織,可見螺紋收尾牙底過渡不圓滑,存在擴展中的微裂紋(圖28所示),并可見明顯的折疊缺陷(圖29所示)。

 

圖27  1#-2螺柱螺紋收尾處金相組織

圖28  1#-2螺柱螺紋收尾處牙底金相組織

圖29  1#-2螺柱螺紋收尾處牙底金相組織

圖30所示為1#-2螺柱斷口附近顯微組織,為均勻的回火索氏體,組織致密,無異常。

圖30  1#-2螺柱斷口附近顯微組織

圖31所示為1#-2螺柱斷口附近非金屬夾雜物形態,根據“GB/T 10561-2005”標準規定,判定為D類球狀氧化物(細系)1級,無異常。

圖31  1#-2螺柱斷口附近非金屬夾雜物形態

圖32所示為2#-1螺柱斷口附近金相組織,可見斷裂起始于螺紋牙底。斷口附近螺紋牙底未發現明顯的脫碳現象,但可見明顯的折疊缺陷(圖33所示)。

圖32  2#-1螺柱斷口附近金相組織

圖33  2#-1螺柱斷口附近螺紋牙底金相組織

圖34所示為2#-1螺柱斷口相鄰螺紋牙底金相組織,可見明顯的折疊缺陷。

圖34  2#-1螺柱斷口相鄰螺紋牙底金相組織

圖35所示為2#-1螺柱斷口附近顯微組織,為均勻的回火索氏體,組織致密,無異常。

圖35  2#-1螺柱斷口附近顯微組織

圖36所示為2#-1螺柱斷口附近非金屬夾雜物形態,根據“GB/T 10561-2005”標準規定,判定為D類球狀氧化物(細系)1級,無異常。

圖36  2#-1螺柱斷口附近非金屬夾雜物形態

4. 性能檢測

選取一枚完好螺柱進行高溫拉伸試驗,溫度設置為500℃,當拉力達到23.81kN時螺柱發生斷裂,完好螺柱500℃下抗拉強度為651MPa。

對1#-2及2#-1螺栓進行芯部硬度檢測,結果如表1所示,根據ASTM E140標準轉換為洛氏硬度,GB/T 1172轉換為抗拉強度,均符合其提供的技術要求。

表1 螺柱硬度檢測

5. 模擬裝配試驗

截取組合件法蘭螺紋孔,與完好螺柱及螺母組成連接副(圖37所示),模擬安裝過程(圖38所示)中螺柱實際受力狀態,結果顯示,當施加扭矩值為18N·m時,螺柱承受的軸力為8.46kN,當施加扭矩為23N·m時,螺柱承受的軸力為10.79kN。根據其提供的技術要求,最小屈服強度為685MPa,M8螺柱應力截面積為36.6mm2,計算得螺柱最小屈服力為25.07kN,因此安裝后螺栓實際承受軸力不足屈服力的50%。

圖37  螺柱連接副示意圖

圖38  模擬安裝示意圖

6. 高溫松弛試驗

選取一枚完好螺栓進行高溫松弛試驗,溫度保持500℃,初始載荷為10.79kN,保持位移不變,結果曲線如圖39所示,500℃下保持24h后,螺柱承受載荷由10.79kN衰減至6.84kN。

圖39  高溫松弛試驗曲線圖

7. 化學成分分析

采用電感耦合等離子發射光譜及碳硫分析儀對1#-2螺柱進行化學成分分析,結果如表2所示,材質符合其提供的技術要求。

表2  1#-2螺柱化學成分(%)

8.綜合分析

螺柱斷裂發生于螺紋牙底,斷面平整,無明顯塑性變形,斷口低倍形貌可見“海灘花樣”呈現典型的疲勞斷裂特征。斷口微觀形貌可見大面積的疲勞輝紋,輝紋間距較窄,說明疲勞裂紋擴展過程中螺柱受力較小,終斷區面積不足整個斷面面積的10%,說明最終斷裂時螺柱受力較小,呈現典型的高周低應力疲勞斷裂特征。因此判定螺柱失效模式為高周低應力疲勞斷裂。

螺柱化學成分,顯微組織、表面脫碳、非金屬夾雜物、力學性能等指標均未發現異常。螺紋牙底存在明顯的折疊,此類缺陷加劇牙底的應力集中狀態,易成為疲勞裂紋的起源。模擬安裝試驗顯示,施加扭矩為23N·m時螺柱承受預緊力不足其屈服力的50%,在振動作用下螺柱易發生松動,松動后螺柱將承受復雜的交變應力作用,易在其應力集中部位萌生疲勞裂紋。另外,高溫松弛試驗結果顯示,500℃保持24h后,在位移不變的情況下螺柱承受載荷衰減至初始載荷的60%,因此高溫下螺柱更易發生松動。在上述因素的綜合作用下,螺柱的應力集中部位首先萌生微裂紋,并在交變載荷作用下不斷擴展,最終失穩斷裂。

9. 結論

(1)螺柱失效模式為高周低應力疲勞斷裂;

(2)引起螺柱疲勞斷裂的主要原因是螺紋牙底存在折疊,安裝預緊力不足以及材料存在明顯的高溫松弛現象;

(3)建議改進搓絲工藝,防止螺紋牙底形成折疊;通過模擬試驗優化安裝工藝;螺柱設計選材時應考慮高溫松弛量。

  • (來源:國檢檢測在線)
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