螺栓断裂分析

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1、·28·　　　　　　　　　　　材　料　开　发　与　应　用　　　　　　　　　　　　第19卷第4期文章编号:100321545(2004)0420028204螺栓断裂分析1,2122张海峰,邢建东,郭卫红,张永辉(1.西安交通大学,陕西西安　710049;2.洛阳船舶材料研究所,河南洛阳　471039)摘　要:采用多种分析手段对螺栓断口及基体进行分析,并从螺栓的使用环境、受力情况及工作状况分析和探讨了断裂的原因。结果表明,螺栓的断裂是由于缝隙腐蚀引起,在应力腐蚀及腐蚀疲劳的作用下最终导致螺栓断裂,是由多种因素综合所致。关键词:螺栓;缝隙腐蚀;应力腐蚀;疲劳中图分类号:TG172.2文献标

2、识码:A　　射流水翼船(JETFOIL)是一种海上交通工具,用于中短途旅客的快速运输,射流水翼船一般由大、中、小3组前水翼组成,其中中心的一组最大,边缘的一组最小。本文针对某船在使用过程中前水翼固定螺栓中大号螺栓的断裂问题,采用化学分析,力学性能分析及组织结构微观分析等多种手段,对螺栓发生断裂的原因加以分析,以期为螺栓的合理选材提供依据。1　试验方法及结果1.1　断口宏观观察图1为大号螺栓及其衬套(右二)的宏观形貌。螺栓直径为22mm,,断裂成3截,断口处有明显且很深的环状腐蚀,其衬套也有明显的环状图1　大号螺栓及其衬套断口宏观形貌腐蚀带,螺栓及螺母的材质不明。1.2　材质定性分析肉

3、眼观察4个断口,其形貌可以分为2部分,使用能谱仪(EDX)对螺栓、螺母及衬套材质即黑色腐蚀区域(断口外圈约2～3mm部分)和内进行初步分析,并对断口上的腐蚀产物进行分析,部白色断口区域,断口呈棘轮状,实物断口形貌见结果如表1所示。图2。图2　实物断口形貌收稿日期:2004-04-02©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第19卷第4期　　　　　　　　　　　　　张海峰等:螺栓断裂分析·29·　　　　　　　　　　　　表1　各部位能谱分析结果(w)%分析部位AlTiMnFeNiCuVMgSiCaSCl螺

4、栓基体1.30.60.740.9262.7833.66螺母基体2.9593.43.64腐蚀产物1.513.320.973.3351.331.00.970.731.481.723.74　　由此1可见,螺栓材料均为镍基合金。大号1.3　化学分析:螺栓上的螺母材料为钛合金。断口腐蚀产物含有大号螺栓的化学分析结果见表2,螺母的化较高的S、Cl。学成分见表3。　　　　　　　　　　　　表2　大号螺栓材质化学分析结果(w)%编号CuFeMnSiCSNiAlTi试样29.150.9040.7310.1470.1600.0018余量3.060.483MonelK500规范余量F2.0F1.5F0.5F

5、0.25F0.0163～702.5～3.50.35～0.85表3　大螺栓上螺母化学分析结果(w)%编号AlVFeSiC试样5.944.020.140.0270.034TC45.5～6.83.5～4.5F0.30F0.15F0.10　　由表2、表3可见,大号螺栓的材质符合Mon2elK500规范要求,其螺母上的材质符合TC4的国家标准。1.4　力学性能:表4为大号螺栓拉伸试验结果。表4　大螺栓原材料拉伸试验结果图4　均匀腐蚀等高形貌　200×编号σs/MPaσb/MPaδ5/%

6、质性能符合MonelK500规范要求。1.5　金相分析:用线切割切取包含断口的大螺栓金相样品,分别对径向、轴向进行金相分析。径向截面抛光后观察发现其形貌呈树枝状,从裂纹形态上看属于典型的应力腐蚀开裂,如图3所示。图4为最先产生腐蚀的靠近螺栓外表面图5　裂纹走向(腐蚀状态)100×的形貌,是均匀腐蚀的等高形貌。图5为裂纹形　　图6为裂纹尖端的局部放大,可以看到裂纹态及走向。主要为沿晶形式,也有少量穿晶形式。图7、图8为轴向截面断口的表面腐蚀形貌、腐蚀空穴及裂纹。图9为内部裂纹形貌及走向。由图9可见两种类型的裂纹,其中较宽的为应力腐蚀裂纹,与其接近垂直的裂纹呈台阶状,具有腐蚀疲劳特征。两

7、个方向的裂纹接近直角,说明受扭转力或互相垂直的两个力。其金相组织为:等轴α相+黑色质点(析出相),晶粒度为10级,见图10。图3　径向截面裂纹形态　50ש1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.·30·　　　　　　　　　材　料　开　发　与　应　用　　　　　　　　　　　　2004年8月图10　轴向截面断口处金相组织　400×图6　裂纹尖端形貌　400×1.6　扫描电镜分析用