特種鋼螺母開裂失效分析
風電螺母，規(guī)格為M36，性能等級為10級，材質為45鋼，表面熱浸鋅。該螺母用于風力發(fā)電設備的法蘭盤固定，安裝大約有一年時間，發(fā)現(xiàn)斷裂，在一年時間期內，每間隔500小時維護一次。
試驗過程與結果
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個區(qū)域，斷面靠近螺紋一側（A區(qū)）表面黑灰色，腐蝕嚴重；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)域為螺母的最終斷裂區(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C區(qū)斷面進行能譜分析，能譜分析結果，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）對螺母進行金相組織檢查：
對螺母的縱向截面進行夾雜物檢查，根據標準GB/T 10516-2005評定，螺母材料中的夾雜物為硫化物夾雜，A類，等級1.5級，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
用直讀光譜法對螺母進行化學成分分析，其化學成分符合GB-T 699-1999標準中對45鋼的要求。
對螺母進行硬度試驗，硬度為297HV30，符合標準GB 3098.2-2000中對10級螺母的要求。
分析與討論
螺母裂紋面大部分區(qū)域表面氧化、腐蝕嚴重，內側螺紋部位斷面可見涂層，外側為終斷區(qū)，所占面積很小，說明螺母開裂由內向外發(fā)展。
內側裂紋在表面處理之前就已存在，表面處理時浸涂溶液滲入裂紋，沒有清洗干凈而留在裂紋內，斷口經能譜分析，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有氧化、脫碳；而該裂紋是從內部向外擴展，裂紋處碳勢未見異常，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。
淬火裂紋產生后，在表面處理過程中裂紋內殘留了Zn、Al等元素，安裝后在自然環(huán)境中一年多的時間里被氧化和腐蝕，裂紋內還殘留了氧化和腐蝕的產物。裂紋在應力腐蝕中擴展，擴展區(qū)為沿晶開裂，裂紋擴展到一定程度，螺母所剩面積不大時，最后為韌性斷裂。
雖然螺母有裂紋存在，但安裝應力不是很大，所以，螺母安裝時沒有開裂。如果安裝應力過大，安裝時在應力作用下螺母就會斷裂。
該螺母安裝后在一年的時間中，在安裝應力作用下，又受自然環(huán)境影響，螺母裂紋處被氧化和腐蝕，裂紋在應力腐蝕作用下進一步擴展，最后螺母斷裂。
結論與啟示
（1） 螺母內側的裂紋為淬火裂紋。
（2） 由于螺母存在淬火裂紋，受安裝應力和自然環(huán)境中腐蝕的作用，裂紋不斷擴展，最后螺母斷裂。
（3） 風電螺母的產品應增加探傷檢查，根據產品批量制定抽查樣本數(shù)。
浙公網安備 33042402000106號
