紧固螺栓断裂分析

中国科技论文在线25Cr2MoV钢高温螺栓断裂分析刘建华（中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏徐州 221116）摘要：通过力学性能试验、金相分析及 SEM断口分析对火电厂机组气缸 25Cr2MoV钢高温紧固螺栓发生断裂进行了研究。

结果表明：该螺栓长期在高温条件下服役，其晶界会有黑色网状碳化物析出、晶界粗化，同时组织老化，承受载荷能力下降。

在停开机提速过快时，螺栓不能承受施加的偏心冲击载荷，导致其发生脆性失效。

关键词：25Cr2MoV；脆性断裂；断口分析；晶界弱化中图分类号：TG142.1The Fracture Analysis of High-temperature Blots Made of25Cr2MoV SteelLIU Jianhua(School of Material Science and Engineering,China University of Mining and Technology,JiangSu XuZhou 221116)Abstract: The fracture of high-temperature fastening blots made of 25Cr2MoV steel used onthermal power unit cylinder has been studied.Analyses on fracture with mechanical properties,metallographic examination and SEM have been carried out. The results showed that the blackmesh grain boundary carbide precipitation with 25Cr2MoV steel under long-term elevatedtemperature service, and the grain boundary coarsening.These factors contribute to grain boundaryand grain boundary weakening performance, organization of aging itself ,load bearing capacity ofthe matrix decreased. Stop the excessive speed at the start, the bolts can not withstand the impactloads imposed by the eccentric, leading to brittle failure.Keywords:25Cr2MoV; brittle fracture; fractography analysis; grain boundary weakening0引言火力发电厂锅炉、汽轮机的气缸结合面和蒸汽管道等部件广泛采用 25Cr2MoV钢高温螺栓进行紧固连接 [1]。

汽轮机检修中螺栓损坏原因分析及对策摘要：汽轮机组中存在着大量的螺栓，如果在维修中没有得到正确的处理，不仅会导致螺栓的损坏，而且还会导致维修周期的加长，从而增加维修费用，还会对设备造成不同程度的损伤，影响到蒸汽机组的安全和效率。

鉴于此，本文从汽轮机中螺栓检修的基本流程出发，对螺栓损伤的成因进行了分析，并提出了有针对性的对策，从而保证了机组的安全稳定运行。

关键词：汽轮机；检修；螺栓损坏；原因及对策一般来说，我们所说的螺栓指的是高压、高温螺栓，它不仅包括主汽门、连通管、调节气门、高压导气管和汽缸法兰螺栓，还包括各个轴承紧固螺栓。

因为在正常的情况下，汽轮机需要承受很大的压力，而且在机组的工作中，螺栓的工作状态是不断的做功，所以，在这样的工作条件下，螺栓会因为承受了很大的应力而产生疲劳，从而造成设备的破坏。

根据某电厂的一次检修，对造成螺栓损坏的因素作了详细的剖析，并根据工作实践，提出了相应的解决措施，从而提高了机组的安全性和稳定性。

1 汽轮机中螺栓检修基本流程分析为了提高汽轮机螺栓维修工作的效率和质量，需要对螺栓的维修基本过程进行合理的设定，并结合科学的维修工艺，对存在的问题进行及时妥善的处理。

汽轮机螺栓检修的基本程序是这样的。

首先，正确而有效的拆除螺栓。

在高效地拆除涡轮螺栓时，需要将金属表面的温度降到80℃以下，才能保证以后工作的正常进行。

拆除完毕后，应将螺栓保存好，并对其进行编号，这样才能保证检修的顺利进行。

其次是对螺栓的检查和维护。

检修前要做好准备工作，即一一拆开清理螺扣、螺帽等，去除氧化皮，保证零件的清洁。

如果螺母安装顺利，松开螺母，那就说明螺母没有问题，如果有问题，那就需要检查。

同时，要正确地选用维护方式，保证螺栓的良好状态和螺栓的表面光洁。

最终，在检修结束后，及时返回安装。

做完螺栓检修工作后，要立即回装。

在回位时，需要在合理的次序支撑下，对螺栓进行冷紧，热紧作业。

在实际工作中，需要对力矩进行有效的控制，并严格执行密封处理，从而保证螺栓的安全使用，避免出现漏气的情况。

螺栓的氢脆断裂分析螺栓的氢脆断裂是指螺栓在受到氢的腐蚀作用或吸附后，因为氢的存在而引起的断裂现象。

由于氢的小分子尺寸，能够渗透到很多材料中，包括钢材，导致螺栓的氢脆断裂。

氢脆断裂对于螺栓的使用和安全性具有严重影响，因此对其进行分析和预防非常重要。

氢脆断裂的原因可以分为内在原因和外在原因。

内在原因是指材料本身的特性，如材料的晶粒尺寸、合金成分等。

外在原因则是指外部环境对于材料的影响，如温度、湿度、应力等。

首先，氢的渗透是氢脆断裂的关键因素之一、当螺栓表面存在细小的裂纹、孔洞或者较高的应力时，氢能够从周围环境渗透到螺栓中。

渗透的氢原子会进入晶格中，并与材料中的金属原子结合成氢化物。

氢化物形成后，会导致晶格内的应力增大，从而使螺栓变脆并发生断裂。

其次，氢的吸附也是氢脆断裂的重要原因之一、当螺栓表面暴露在含有氢的环境中时，氢原子会吸附在螺栓表面上。

吸附的氢原子会与金属原子结合，并形成氢化物。

这些氢化物的形成会导致螺栓的变脆和断裂。

氢脆断裂的发生与材料的化学成分也有关系。

一些高强度钢材中的合金元素，如锰、硅、铝等，可以减少氢脆的发生。

这是因为合金元素会与氢原子结合形成稳定的化合物，减少氢的渗透和吸附。

在预防螺栓的氢脆断裂中，需要注意以下几点：1.控制氢的渗透和吸附。

可以采用合理的防腐措施，如使用防腐涂层、隔离层等，阻止氢的渗透和吸附。

2.控制螺栓表面的应力。

可以通过合适的螺栓设计和安装方式，减少螺栓表面的应力集中，降低氢的渗透和吸附的可能性。

3.控制材料的成分。

选择合适的材料和合金元素，减少氢脆的发生。

4.对于容易受到氢脆影响的螺栓，在生产和使用过程中应进行严格的检测和监控，及时发现和处理有问题的螺栓，确保使用安全。

总之，螺栓的氢脆断裂是一种非常危险的现象，会对螺栓的使用和安全造成严重影响。

为了预防螺栓的氢脆断裂，需要综合考虑材料的性质、环境因素和设计等多个因素，并采取相应的防腐措施和预防措施，以确保螺栓的使用安全。

螺栓的氢脆断裂分析
氢脆就是指钢材内的氢分子造成的应力集中超过了钢材的强度极限，在钢材内部形成了小裂纹，这种裂纹一旦产生就不能消除，在生产成螺栓后，在内部残余或者外加的应力作用下，就可能导致螺栓断裂。

氢脆只能预防，不能治理，因此需要了解不锈钢螺栓合金钢螺栓氢脆断裂的原因，才能从源头避免氢脆问题的发生。

合金钢螺栓氢脆断裂的原因主要有四种：酸洗时引入氢、熔炼过程未完全去氢、外部环境引入氢、氢致延迟型断裂。

酸洗时引入氢：合金钢螺栓的加工过程中包含酸洗和电镀，而这两个工艺环节容易引入氢原子。

如酸洗磷皂化和皂化过程中都有可能引入氢，尤其是磷化工艺中，在磷酸的作用下，铁和碳形成的了无数原电池，在阳极区工件表面形成磷化膜，在阴极区则放出大量的氢。

这种在加工过程中吸入的氢可以说是螺栓氢脆断裂的主要原因了。

熔炼过程中未完全去除氢：在合金钢螺栓的熔炼过程中，有些氢原子留存是无法避免的，这和熔炼的温度、环境及熔炼过程控制都有较大的关联。

在这个过程中残留的氢原子会在氢脆的产生过程中对螺栓的断裂起到促进作用。

外部环境引入氢：如果螺栓的使用环境长期潮湿，那么也会有部分的氢渗入，如在雨水较多的地区用的螺栓其氢脆断裂的发生比例更高。

氢致延迟型脆性断裂：这就是内部残余应力或外在应力的共同
作用下，引发了氢脆断裂。

想要预防螺栓氢脆断裂，就需要根据实际工况来选择适当的原材料、加工工艺（热处理、电镀、酸洗等），采用严格的预防措施。

5．金相组织分别对未断与断裂螺钉和螺母各1件纵向解剖进行金相观察。

图8为试样末浸蚀时的低倍形貌。

a 25×b 50×c 25×图8 螺钉纵剖金相磨面（a、b—螺钉，c—螺母）从图可以清楚地看到，螺钉在牙的侧面存在明显的裂纹，每个牙上裂纹的位置与形态完全一致，将裂纹放大后（图8b）可以明确判断，上述裂纹实际上是螺钉在搓丝过程中形成的折叠。

折叠处（图8b中的A处）的显微硬度为540HV，0.05明显要高于其他部位的渗碳层的硬度，此系A处两面渗碳的结果，这点同时也说明上述裂纹在热处理前业已存在。

另外，对一个断裂的螺钉解剖后发现，在过渡圆角处存在细微裂纹（图9），浸蚀后观察，该裂纹沿晶扩展（图10），这与断口源区扫描电镜下观察到的沿晶断裂特征（图3）完全吻合。

在裂纹周围也未发现非金属夹杂物聚集和沉淀相析出。

图9 断裂螺钉圆角处的裂纹50× 图10 图9裂纹浸蚀后的放大形貌500×螺母牙顶形成双峰（图8C），这也是搓丝工艺不当所形成的。

双峰鞍部形成的不规则尖缺口将对随后的热处理及使用均将产生不利影响。

图11为螺钉渗碳层的低倍形貌及渗层组织，渗碳层为回火屈氏体。

断裂与未断裂螺钉的芯部组织均为板条马氏体，未断螺钉的马氏体板条更粗大些（图12）。

25× 100×图11 螺钉渗碳层形貌及组织a断裂螺钉 b未断螺钉图12 螺钉的芯部组织500×图13为螺母的渗碳层组织，断裂与未断裂螺母的渗碳层组织相同，均系回火屈氏体。

断裂螺母与未断裂螺母的芯部组织则完全不同（图14）。

图13 螺母的渗碳层组织250×a 断裂螺母b 未断螺母图14 螺母的芯部组织 500×断裂螺母芯部组织为绌片状珠光体+铁素体，而未断者为板条马氏体。

这与表1中螺母测定的硬度值完全对应。

6.含氢量分析根据螺钉断口形貌特征及延时断裂特征，加之螺钉经酸洗后镀锌，怀疑有渗H2现象[1]。

图1 断裂螺栓宏观形貌图2 螺栓断口的宏观形貌表1 螺栓样品化学成分（质量分数）（%元素检测结果标准值符合性判断C0.410.25~0.55符合P0.012≤0.025符合S0.016≤0.025符合貌，裂纹源处螺纹根部表面存在大量龟裂形貌，裂纹源断面局部磨损擦伤，未擦伤区域存在疲劳辉纹；螺栓断口裂纹扩展H热处理失效eatTreatmentFailure貌，局部存在擦伤，未擦伤区可见疲劳辉纹；最终断裂区形貌，为韧窝形貌。

（4）金相分析图4~图6为裂纹源区断面抛光态及侵蚀态形貌，裂纹源及扩展区断面较为平整。

螺栓表面存在脱碳现象，裂纹源附近表面存在大量细小裂纹，大多数裂纹位于螺栓表面全脱碳层，全脱碳层深度约为10.19μm。

断口裂纹扩展区较平整，裂纹扩展方式为穿晶扩展。

最终瞬断区表面显微形貌呈锯齿状。

断口源区的显微组织为的铁素体+回火索氏体，部分铁素体呈针状及沿晶分布。

根据GB/T 10561—2005，实际检验A法，对非金属夹杂物进行评级，结果为：A0.5，B1.0，C0.5，D0.5，DS0，如图7所示。

基体显微组织为回火索氏体，如图8所示。

（5）硬度检验截取断裂螺栓硬度试样，进行维氏硬度测定，结果如表2所示。

断裂螺栓硬度符合GB/T 3098.1—2010对10.9 级螺栓的技术要求。

2. 分析与讨论（1）检验结果分析螺栓的化学成分及心部硬度均符合GB/T 3098.1—2010对10.9 级螺栓的技术要求；断口宏观及微观分析可判断螺栓断裂模式为疲劳断裂，裂纹源位于螺栓中部螺杆与螺纹过渡处的第一个螺纹根部，裂纹源处螺纹根部表面存在大量龟裂形貌；金相检验表明螺栓表面存在脱碳现象，裂纹源附近表面存在大量微裂纹，微裂纹位于（a）螺栓断口形貌（b）断口裂纹源形貌（c）断口裂纹扩展区的SEM形貌（d）断口最终断裂区的SEM形貌图3 螺栓断口的SEM形貌图4 裂纹源处抛光态形貌图5 裂纹源处侵蚀态形貌（a）（b）图6 螺栓裂纹源附近表面显微形貌图7 断裂螺栓基体非金属夹杂物形貌图8 断裂螺栓基体显微组织形貌（下转第69页）。