螺栓斷裂分析

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1、·28·　　　　　　　　　　　材　料　開(kāi)　發(fā)　與　應(yīng)　用　　　　　　　　　　　　第19卷第4期文章編號(hào):100321545(2004)0420028204螺栓斷裂分析1,2122張海峰,邢建東,郭衛(wèi)紅,張永輝(1.西安交通大學(xué),陜西西安　710049;2.洛陽(yáng)船舶材料研究所,河南洛陽(yáng)　471039)摘　要:采用多種分析手段對(duì)螺栓斷口及基體進(jìn)行分析,并從螺栓的使用環(huán)境、受力情況及工作狀況分析和探討了斷裂的原因。結(jié)果表明,螺栓的斷裂是由于縫隙腐蝕引起,在應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞的作用下最終導(dǎo)致螺栓斷裂,是由多種因素綜合所致。關(guān)鍵詞:螺栓;縫隙腐蝕;應(yīng)力腐蝕;疲勞中圖分類(lèi)號(hào):TG172.2文獻(xiàn)標(biāo)

2、識(shí)碼:A　　射流水翼船(JETFOIL)是一種海上交通工具,用于中短途旅客的快速運(yùn)輸,射流水翼船一般由大、中、小3組前水翼組成,其中中心的一組最大,邊緣的一組最小。本文針對(duì)某船在使用過(guò)程中前水翼固定螺栓中大號(hào)螺栓的斷裂問(wèn)題,采用化學(xué)分析,力學(xué)性能分析及組織結(jié)構(gòu)微觀分析等多種手段,對(duì)螺栓發(fā)生斷裂的原因加以分析,以期為螺栓的合理選材提供依據(jù)。1　試驗(yàn)方法及結(jié)果1.1　斷口宏觀觀察圖1為大號(hào)螺栓及其襯套(右二)的宏觀形貌。螺栓直徑為22mm,,斷裂成3截,斷口處有明顯且很深的環(huán)狀腐蝕,其襯套也有明顯的環(huán)狀圖1　大號(hào)螺栓及其襯套斷口宏觀形貌腐蝕帶,螺栓及螺母的材質(zhì)不明。1.2　材質(zhì)定性分析肉

3、眼觀察4個(gè)斷口,其形貌可以分為2部分,使用能譜儀(EDX)對(duì)螺栓、螺母及襯套材質(zhì)即黑色腐蝕區(qū)域(斷口外圈約2～3mm部分)和內(nèi)進(jìn)行初步分析,并對(duì)斷口上的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析,部白色斷口區(qū)域,斷口呈棘輪狀,實(shí)物斷口形貌見(jiàn)結(jié)果如表1所示。圖2。圖2　實(shí)物斷口形貌收稿日期:2004-04-02?1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第19卷第4期　　　　　　　　　　　　　張海峰等:螺栓斷裂分析·29·　　　　　　　　　　　　表1　各部位能譜分析結(jié)果(w)%分析部位AlTiMnFeNiCuVMgSiCaSCl螺

4、栓基體1.30.60.740.9262.7833.66螺母基體2.9593.43.64腐蝕產(chǎn)物1.513.320.973.3351.331.00.970.731.481.723.74　　由此1可見(jiàn),螺栓材料均為鎳基合金。大號(hào)1.3　化學(xué)分析:螺栓上的螺母材料為鈦合金。斷口腐蝕產(chǎn)物含有大號(hào)螺栓的化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表2,螺母的化較高的S、Cl。學(xué)成分見(jiàn)表3?！　　　　　　　　　　　”?　大號(hào)螺栓材質(zhì)化學(xué)分析結(jié)果(w)%編號(hào)CuFeMnSiCSNiAlTi試樣29.150.9040.7310.1470.1600.0018余量3.060.483MonelK500規(guī)范余量F2.0F1.5F0.5F

5、0.25F0.0163～702.5～3.50.35～0.85表3　大螺栓上螺母化學(xué)分析結(jié)果(w)%編號(hào)AlVFeSiC試樣5.944.020.140.0270.034TC45.5～6.83.5～4.5F0.30F0.15F0.10　　由表2、表3可見(jiàn),大號(hào)螺栓的材質(zhì)符合Mon2elK500規(guī)范要求,其螺母上的材質(zhì)符合TC4的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。1.4　力學(xué)性能:表4為大號(hào)螺栓拉伸試驗(yàn)結(jié)果。表4　大螺栓原材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果圖4　均勻腐蝕等高形貌　200×編號(hào)σs/MPaσb/MPaδ5/%

6、質(zhì)性能符合MonelK500規(guī)范要求。1.5　金相分析:用線(xiàn)切割切取包含斷口的大螺栓金相樣品,分別對(duì)徑向、軸向進(jìn)行金相分析。徑向截面拋光后觀察發(fā)現(xiàn)其形貌呈樹(shù)枝狀,從裂紋形態(tài)上看屬于典型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,如圖3所示。圖4為最先產(chǎn)生腐蝕的靠近螺栓外表面圖5　裂紋走向(腐蝕狀態(tài))100×的形貌,是均勻腐蝕的等高形貌。圖5為裂紋形　　圖6為裂紋尖端的局部放大,可以看到裂紋態(tài)及走向。主要為沿晶形式,也有少量穿晶形式。圖7、圖8為軸向截面斷口的表面腐蝕形貌、腐蝕空穴及裂紋。圖9為內(nèi)部裂紋形貌及走向。由圖9可見(jiàn)兩種類(lèi)型的裂紋,其中較寬的為應(yīng)力腐蝕裂紋,與其接近垂直的裂紋呈臺(tái)階狀,具有腐蝕疲勞特征。兩

7、個(gè)方向的裂紋接近直角,說(shuō)明受扭轉(zhuǎn)力或互相垂直的兩個(gè)力。其金相組織為:等軸α相+黑色質(zhì)點(diǎn)(析出相),晶粒度為10級(jí),見(jiàn)圖10。圖3　徑向截面裂紋形態(tài)　50×?1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.·30·　　　　　　　　　材　料　開(kāi)　發(fā)　與　應(yīng)　用　　　　　　　　　　　　2004年8月圖10　軸向截面斷口處金相組織　400×圖6　裂紋尖端形貌　400×1.6　掃描電鏡分析用