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1、1情况简介情况简介l某电厂3号和4号汽轮机中压调汽门螺栓，规格为M25，工作温度540C，运行时间12万h，螺栓材质为前苏联182(20X1M151TP)，相当于国产2号螺栓钢(20Cr1Mo1VTiB)。螺栓断裂时的环境条件不详。使用方提供的分析试样为3号和4号汽轮机断裂螺栓各2根，及运行12万h但未断裂的螺栓2根。汽轮机中压调汽门螺栓断裂分析汽轮机中压调汽门螺栓断裂分析2理化检验理化检验2.1断口分析断口分析从螺栓断口的宏观形貌可以看出，所有断口上均从螺栓断口的宏观形貌可以看出，所有断口上均有明显的疲劳纹有明显的疲劳纹，且，且疲劳源疲劳源区均位于断口外缘的螺纹根部区均位于断口外缘的螺纹根部
2、，显然应力集中是产生疲劳源的外在起因显然应力集中是产生疲劳源的外在起因。疲劳扩展区在整个断口上所占的比例较大，最终断裂区面积则较小疲劳扩展区在整个断口上所占的比例较大，最终断裂区面积则较小(见图见图1，图中螺纹表面类似腐蚀坑的凹坑为取样和送样过程中造成的机械损伤，图中螺纹表面类似腐蚀坑的凹坑为取样和送样过程中造成的机械损伤)。由于疲劳裂纹的扩展是在高温运行条件下进行的缓慢过程，因此，断口由于疲劳裂纹的扩展是在高温运行条件下进行的缓慢过程，因此，断口表面锈蚀严重表面锈蚀严重，断口微观形貌无法观察断口微观形貌无法观察。图13号汽轮机螺栓断口的宏观形貌2.2化学成分分析化学成分分析l分别对3号和4号
3、汽轮机断裂螺栓以及未断螺栓进行化学成分分析，各元素的成分含量基本符合标准和GB3077-1988标准的要求，见表1。2.3力学性能试验力学性能试验l力学性能试验包括常温拉伸、高温短时拉伸、冲击和硬度试验四项，试验结果见表力学性能试验包括常温拉伸、高温短时拉伸、冲击和硬度试验四项，试验结果见表2。l由表中试验数据可知由表中试验数据可知:l(1)螺栓经螺栓经12万万h运行后，抗拉强度大部分仍能满足标准要求，已断螺栓的抗拉强度值均运行后，抗拉强度大部分仍能满足标准要求，已断螺栓的抗拉强度值均较高，但有一根未断螺栓的抗拉强度值反而低于合格标准，可见，运行过程中抗拉强较高，但有一根未断螺栓的抗拉强度值反
4、而低于合格标准，可见，运行过程中抗拉强度的降低并不是造成螺栓断裂的直接原因。度的降低并不是造成螺栓断裂的直接原因。l(2)螺栓经螺栓经12万万h运行后，材料的冲击韧性有高有低，波动较大，但从未断螺栓的冲击韧运行后，材料的冲击韧性有高有低，波动较大，但从未断螺栓的冲击韧性均低于断裂螺栓这一点可以认定，螺栓在运行过程中冲击韧性的降低也不是造成螺性均低于断裂螺栓这一点可以认定，螺栓在运行过程中冲击韧性的降低也不是造成螺栓断裂的直接原因。栓断裂的直接原因。l(3)材料硬度在螺栓运行过程中无明显变化。材料硬度在螺栓运行过程中无明显变化。l(4)螺栓在螺栓在550C下的高温抗拉强度仍符合标准要求。下的高温
5、抗拉强度仍符合标准要求。l2.4金相分析金相分析l在3号和4号汽轮机断裂螺栓上远离断口的部位、断口的疲劳源区及在未断螺栓上分别取样进行金相分析，取样部位见图2，其显微组织见图35。图2金相分析取样部位示意图(a)远离断口处之显微组织回火贝氏体图33号汽轮机断裂螺栓的显微组织4003%硝酸酒精溶液侵蚀(b)疲劳源区显微组织回火贝氏体+沿晶析出的碳化物由由图图3b和和图图4b可可见见，在在3号号和和4号号汽汽轮轮机机断断裂裂螺螺栓栓的的疲疲劳劳源源区区均均有有沿沿晶晶析析出出的的碳碳化化物物，而而在在未未断断螺螺栓栓以以及及3号号和和4号号汽汽轮轮机机断断裂裂螺螺栓栓远远离离断断口口的的金金相相试
6、试样样中中则则未未见见明明显显的的碳碳化化物物析析出出，见见图图3a、图图4a和和图图5。可可见见，螺螺栓栓经经高高温温长长期期运运行行后后局局部部区区域域碳碳化化物物沿沿晶晶析析出出导导致致晶晶界界强强度度弱弱化化是是引引发发疲疲劳源的内在因素劳源的内在因素。(a)远离断口处之显微组织，回火贝氏体(b)疲劳源区显微组织，回火贝氏体+沿晶析出的碳化物图44号汽轮机断裂螺栓的显微组织4003%硝酸酒精溶液侵蚀图5未断螺栓的显微组织(回火贝氏体)4003%硝酸酒精溶液侵蚀2.5冲击断口微观形貌观察分析冲击断口微观形貌观察分析l用日立用日立S2450扫描电子显微镜对冲击断口进行观察，发现所有冲击断扫
7、描电子显微镜对冲击断口进行观察，发现所有冲击断口的放射区绝大部分为口的放射区绝大部分为准解理形貌准解理形貌，说明断裂为，说明断裂为穿晶断裂穿晶断裂，但在，但在个别个别区域有沿晶断裂形貌或明显的沿晶裂纹区域有沿晶断裂形貌或明显的沿晶裂纹，见图，见图6。说明这些。说明这些局部区域局部区域有晶界弱化现象有晶界弱化现象，这与显微组织中局部区域有碳化物沿晶析出的结论，这与显微组织中局部区域有碳化物沿晶析出的结论是相吻合的。是相吻合的。未断螺栓准解理形貌3号汽轮机螺栓沿晶断裂形貌图6冲击断口放射区的准解理形貌和沿晶断裂形貌3结论结论(1)螺栓的断裂均属疲劳断裂，其疲劳源区均位于螺纹螺栓的断裂均属疲劳断裂，
8、其疲劳源区均位于螺纹根部，根部，螺纹根部应力集中是导致螺栓裂纹起源的外螺纹根部应力集中是导致螺栓裂纹起源的外在因素在因素。(2)螺栓在高温长期运行过程中，螺栓在高温长期运行过程中，材质中局部区域存在材质中局部区域存在沿晶界析出的碳化物沿晶界析出的碳化物，正是这些沿晶析出的碳化物正是这些沿晶析出的碳化物导致晶界强度降低，这是螺栓裂纹起源的内在因素导致晶界强度降低，这是螺栓裂纹起源的内在因素。综上所述，综上所述，由于螺纹根部应力集中而导致此处已弱化由于螺纹根部应力集中而导致此处已弱化的晶界开裂产生沿晶裂纹，即形成疲劳源。疲劳源的晶界开裂产生沿晶裂纹，即形成疲劳源。疲劳源在交变载荷的长期作用下逐步扩展即形成疲劳裂纹，在交变载荷的长期作用下逐步扩展即形成疲劳裂纹，当疲劳区逐步扩大致使所剩截面无法承受外在载荷当疲劳区逐步扩大致使所剩截面无法承受外在载荷时，即产生最终断裂。时，即产生最终断裂。