過濾器連接螺栓斷裂失效分析

黃思語, 李晴朝, 唐源, 付國忠, 劉彥霆, 唐健凱, 吳昊

(中國核動力研究設計院核反應堆系統設計重點實驗室, 成都 610213)

油路過濾器作為工程機械設備液壓系統的關鍵部件,能夠讓液壓油保持一定的潔凈度,同時還能清除液壓油中的一些雜質,減少元件磨損和機械堵塞等故障,通常過濾器由濾頭和濾筒組成,而濾頭和濾筒通過螺栓進行連接,過濾器在工作過程中會長期承受內壓力,進而導致過濾器連接螺栓失效[1-3]。連接螺栓是機械裝備上常見的一種零部件,常常會發生、變形、韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂等形式的零件失效,近年來已經不斷發現過濾器連接螺栓在服役過程中發生失效的情況[4-5]。

研究人員針對各種材料的螺栓失效行為開展了相關研究。張利峰等[6]從顯微組織、斷口形貌等角度分析了PCrMo高強螺栓斷裂的失效原因,結果表明：螺栓斷口處及心部為沿晶開裂+韌窩形貌;螺栓表面經磷化處理前的酸洗工序和磷化過程會造成基體含氫量增加,螺栓在異常外力與基體氫脆內因的共同作用下,最終發生斷裂。王樸等[7]通過斷口分析、金相檢測、成分分析、硬度分析和力學測試對斷裂螺栓和同批次未使用螺栓樣件進行研究,結果表明：該斷裂螺栓在酸洗電鍍的過程中,引入的有害氫未能得到及時、有效地去除,從而導致螺栓根部在預緊力作用下,氫向應力集中處聚集,出現了螺栓氫致延遲斷裂的現象。段焱森等[8]對某風力機葉片42CrMoA高強連接螺栓進行了高頻疲勞實驗研究,結果表明：疲勞損傷具有多疲勞裂紋起源區特征,試樣斷裂是由于多源裂紋交匯后形成峰線所導致;在相同的最大應力加載下,應力振幅越高,裂紋擴展速率越大,高頻疲勞壽命越低。綜上,研究螺栓斷裂失效的機理對于避免在生產和使用過程中因螺栓斷裂而造成的不必要損失具有重要意義。

用于某防噴器油路過濾器的SCM435連接螺栓,油路過濾器在工作過程中長期承受最大35 MPa內壓力,一段時間后其中一個連接螺栓發生失效斷裂,剩余連接螺栓未斷裂,這導致過濾器無法密封承壓,防噴器無法正常工作。連接螺栓作為過濾器的重要部件,在使用過程中頻繁更換對過濾器維修性、經濟性以及可靠性均產生了不利影響。因此,針對失效斷裂的SCM435連接螺栓,采用現代材料分析手段,通過對斷裂和未斷裂螺栓進行對比測試,從宏觀、微觀的角度分析螺栓的失效原因并提出相應建議,以期對該型防噴器油路過濾器連接螺栓的生產和使用提供一定的理論指導。

1 試驗材料與方法

該過濾器連接螺栓材質為SCM435,力學性能為12.9級,規格為M20 mm×200 mm。本次試驗選擇斷裂和未斷裂的連接螺栓進行對比分析,過濾器失效螺栓連桿發生了明顯的整體斷裂,其斷裂發生在靠近螺帽的根部位置,如圖1所示。

圖1 斷裂和未斷裂螺栓宏觀形貌

在斷裂螺栓斷口附近和未斷裂螺栓相同位置切割出橫截面厚度為10 mm的金相試樣和硬度試樣,利用XD3OM型金相顯微鏡觀察螺栓的金相顯微組織,根據《金屬材料：金屬布氏硬度試驗第1部分試驗方法》(GB/T 230.1—2009)對硬度試樣心部和表層位置進行洛氏硬度打點測試。根據《金屬材料：拉伸試驗第1部分室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)采用WDW-1000型萬能試驗機對斷裂和未斷裂螺栓進行拉伸試驗,拉伸試樣加工尺寸如圖2(a)所示。根據《金屬材料：夏比V型缺口擺錘沖擊試驗儀器化試驗方法》(GB/T 19748—2019)利用JB30B型沖擊試驗機對斷裂和未斷裂螺栓進行沖擊試驗,沖擊試樣尺寸如圖2(b)所示。利用SRL-7045SZ型體視顯微鏡對斷裂螺栓斷口宏觀形貌進行分析。使用配套能譜儀的EVO MA15型掃描電鏡對斷裂螺栓、拉伸和沖擊斷口形貌以及螺栓化學成分等進行分析。

R為拉伸試樣的倒角單徑

2 試驗結果與分析

2.1 金相組織分析

圖3為斷裂和未斷裂連接螺栓橫截面的金相組織,可以看出,斷裂和未斷裂連接螺栓的金相組織均為回火索氏體+鐵素體。同時還可以分別觀察到彌散分布的黑色點狀夾雜物,且斷裂螺栓的黑色點狀夾雜物相比于未斷裂螺栓更多,這會對SCM435連接螺栓的力學性能造成影響。

圖3 斷裂和未斷裂螺栓橫截面金相組織

2.2 化學成分分析

通過EVO MA15型掃描電鏡配套的能譜儀在低倍數下多次對斷裂和未斷裂螺栓試樣進行面掃描,得到斷裂和未斷裂螺栓化學成分含量如表1所示?？梢钥闯?通過將測試結果與《合金結構鋼》(GB/T 3077—2015)標準規定值對比發現,未斷裂螺栓符合標準規定值,而斷裂螺栓中C元素含量相比于標準要求略微偏高。

表1 斷裂和未斷裂螺栓化學成分Table 1 Chemical composition of broken and unbroken bolts

2.3 硬度分析

金屬的硬度能較好地反映材料的組織結構和化學成分等。斷裂和未斷裂螺栓橫截面硬度測試結果如表2所示,斷裂和未斷裂螺栓樣洛氏硬度值均在《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.1—2010)規定值要求范圍內。但值得注意的是,斷裂螺栓橫截面的心部硬度高于表層硬度,螺栓心部形成的內應力增大,這容易對長期載荷作用下的螺栓形成不利影響[9-10]。

表2 斷裂和未斷裂螺栓截面洛氏硬度Table 2 Rockwell hardness of cross sections of broken and unbroken bolts

2.4 力學性能分析

通過實驗得到斷裂和未斷裂螺栓材料的拉伸力學性能,如表3所示。由實驗數據發現,斷裂和未斷裂螺栓的抗拉強度、伸長率和斷面收縮率均在國標《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.1—2010)標準規定值范圍內,但斷裂螺栓樣的抗拉強度、伸長率和斷面收縮率相比于未斷裂螺栓樣均有所降低,其韌性和強度變差。

表3 斷裂和未斷裂螺栓拉伸試驗結果Table 3 Tensile test results of broken and unbroken bolts

圖4為斷裂螺栓拉伸試樣斷口掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)形貌圖,在圖4(a)所示的斷裂螺栓拉伸斷口的整體區域圖中,斷口呈現出杯錐狀,這是韌性斷裂的特征。通過圖4(b)局部放大區域,可以觀察到在斷裂螺栓試樣內部位置存在微裂紋和夾雜物,裂紋在受到拉力的作用下迅速擴展,直至試樣斷裂,而同樣夾雜物的存在也會造成局部內應力集中的現象,在受到外力作用下,斷裂螺栓內部導致缺陷出現。另外,斷口以放射區為主,存在明顯的放射棱,具有脆性斷口特征,因此整個斷裂螺栓拉伸斷裂形式為韌性和脆性斷裂的混合方式[11-12]。

圖4 斷裂螺栓拉伸試樣斷口SEM圖

表4為斷裂和未斷裂螺栓在-20 ℃溫度下的沖擊功,斷裂螺栓試樣的沖擊功為47 J,未斷裂螺栓試樣的沖擊功為51 J,斷裂和未斷裂螺栓試樣的沖擊功均符合國標《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.1—2010)規定。相較于未斷裂螺栓試樣的沖擊功,斷裂螺栓試樣的沖擊功有所降低。圖5為斷裂螺栓沖擊試樣斷口SEM形貌。從圖5(a)可以看出,缺口沖擊試樣的斷口存在3個區域,即纖維區、放射區和剪切唇區,3個區域的相對比例和分布能在一定程度上決定材料的塑性,斷口中纖維區占據主要的面積,表現出韌性沖擊斷口特征[13]。從圖5(b)中可以看出,斷口內部存在裂紋和夾雜物,而裂紋和夾渣物的存在會降低材料的力學性能,這可能是導致斷裂螺栓材料的拉伸沖擊功出現降低的原因之一。

表4 斷裂和未斷裂螺栓沖擊試驗結果Table 4 Impact test results of broken and unbroken bolts

圖5 斷裂螺栓沖擊試樣斷口SEM圖

2.5 斷裂螺栓斷口分析

圖6為斷裂螺栓的斷口宏觀形貌。從圖6(a)中可以看出,斷裂螺栓的斷裂斷口出現不同角度斷面,一側斷面與螺栓橫截面呈水平,另一側斷面與螺栓橫截面呈斜45°,這兩個斷口方向是螺栓斷裂擴展的方向。

圖6 斷裂螺栓斷口宏觀形貌域

螺栓的斷裂是起源于螺栓的中心位置的,中心斷裂源區域宏觀上表現為彌散分布的大小不一的凹凸窩坑和纖維狀,如圖6(b)所示,是宏觀塑性斷裂的特征,隨著螺栓在服役過程中受到周期性應力的作用,斷裂區域向四周開始擴展,在斷裂擴展區域無明顯的塑性變形,呈現出平整光滑的脆性斷口特征[14]。

圖7為斷裂螺栓斷口SEM圖。由圖7(a)所示的斷裂螺栓斷口的斷裂源區微觀形貌圖中可知,在斷裂螺栓斷口中心位置存在韌窩和撕裂棱,這是典型的韌性斷裂特征,而在斷裂源區中還觀察到夾雜物的存在,由此可以推斷,材料在制造過程中存在夾雜物等影響了材料的力學性能,螺栓在外力作用下,首先會在該位置處引起材料內部應力集中等,當超過材料的屈服強度后,就會萌生裂紋并進一步擴展。圖7(b)為斷裂螺栓斷口的斷裂擴展區微觀形貌,可以看出,局部微觀放大形貌為解理臺階和河流花樣狀,是典型的脆性斷裂形貌特征,這也表明了斷裂螺栓的斷裂形式由斷裂源區域的韌性斷裂轉變為斷裂擴展區域的脆性斷裂,并且該斷裂擴展區域的面積超過螺栓整個斷面的1/2,在整個螺栓斷裂過程中起到主導作用。圖7(c)和圖7(d)為斷裂螺栓斷口的瞬斷區形貌,可以看出,在擴散斷口的邊緣位置存在剪切唇,這是整個螺栓斷裂的結束位置,由于螺栓試樣的尺寸較大,在電鏡下無法完整觀察其全貌,結合整個斷口的體視宏觀形貌觀察可以知道,剪切唇區域占據了整個螺栓斷口的很大面積,這進一步表明斷裂螺栓材料的韌性不足。通過前面對斷裂螺栓洛氏硬度的測試,螺栓的中心位置向邊緣位置方向硬度呈現下降趨勢,這使得在長期的周期載荷下,螺栓中心位置產生內應力,又由于內部有夾雜物的存在,當載荷達到一定程度時就會引起裂紋的產生和擴展,最終螺栓發生斷裂[15]。

結合前面的分析,確定了螺栓材料內部存在夾雜物,為了研究螺栓材料內部夾雜物的成分,對其夾雜物進行點掃描,其結果如圖8所示?？梢钥闯?該夾雜物中碳占據主要成分,由此可以判斷該夾雜物為碳化物,碳化物作為脆性相,在斷裂擴展區域的大量存在,使得螺栓斷裂在斷裂擴展區域以脆性斷裂的形式發展。

圖8 斷裂螺栓斷口夾雜物SEM點掃描結果

3 結論

某防噴器油路過濾器連接螺栓在服役過程中,螺栓從根部出現斷裂,從而造成油路過濾器無法進行有效密封承壓,針對斷裂和未斷裂螺栓的對比分析,探究斷裂螺栓的失效原因,得出如下結論。

(1)斷裂螺栓組織為回火索氏體和鐵素體,內部存在夾雜物,含碳量高于《合金結構鋼》(GB/T 3077—2015)規定要求,硬度符合《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.1—2010)規定,但心部硬度大于表層硬度,內部應力較高。由于斷裂螺栓內部存在的夾雜物和裂紋,降低了材料的韌塑性,斷裂螺栓拉伸強度和沖擊功相比于未斷裂螺栓均有所降低。

(2)斷裂螺栓斷口存在平行和斜45°的兩個斷面,表現為韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂形式,斷裂源起源于內部,螺栓內部的碳化物等脆性相的不均勻分布,使得螺栓在持續載荷下,螺栓內部應力集中并產生裂紋,隨著裂紋的擴展螺栓發生斷裂。

(3)建議嚴格把控螺栓零件生產的原材料,盡量減少螺栓中夾雜物的出現;優化熱處理工藝,進一步消除內應力,提高材料均勻性,控制硬度和強度等性能指標在合理范圍內;螺栓在安裝時避免人為的損傷并按照制造廠商要求準確施加預緊力。