摘 要:某批次３５CrMo合金鋼２５２kV 氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)機構電鍍鋅止動螺栓在 合閘試驗調(diào)節(jié)中發(fā)生斷裂失效,通過化學成分分析、斷口分析、硬度測試、氫脆評估試驗、金相檢驗等 方法對螺栓斷裂原因進行了分析.結(jié)果表明:該止動螺栓斷裂是由氫脆造成的,而止動螺栓發(fā)生氫脆 斷裂是由螺栓電鍍鋅后去氫工藝不當造成的.最后提出了預防螺栓氫脆斷裂的改進措施. 

關鍵詞:止動螺栓;斷裂;氫脆;失效分析 

中圖分類號:TG１１５;TH１３１ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６０２Ｇ０５

某 ２５２kV 氣體絕緣金屬封閉開關設備(Gas InsulatedSwitchgear,GIS)智能變機構進行出廠機 械特性試驗,操作２００次后,發(fā)現(xiàn) GIS的斷路器三 相合閘時間均不在管理值范圍(７５~１００ms)之內(nèi). 使用５N??m 力矩扳手緊固調(diào)節(jié)機構的合閘時間螺 栓,第一次調(diào)整未能達到管理值要求,再次進行調(diào)整 時發(fā)現(xiàn) C相合閘調(diào)整螺栓松動,擰出螺栓發(fā)現(xiàn)已經(jīng) 斷裂,斷裂螺栓形貌如圖１所示.斷裂帶孔止動螺 栓為東芝進 口 螺 栓,規(guī) 格 為 M６×３０,強 度 等 級 為 ４５H,材料為３５CrMo鋼,要求表面處理工藝為電鍍鋅(F５１E２B)并進行去氫處理(P１０F１).為查明該 螺栓斷裂失效的原因,筆者通過一系列理化試驗方 法,對斷裂的螺栓及同規(guī)格螺栓進行了檢驗和分析, 并提出了相應的預防措施.

１ 理化檢驗 

１．１ 化學成分分析 

對斷裂螺栓基體取樣,采用島津 PDA７０００ 型 直 讀光譜儀進行化學成分分析,結(jié)果見表１.可見該斷 裂 螺 栓 的 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T３０７７－ ２０１５«合金結(jié)構鋼»對３５CrMo鋼成分的技術要求.

１．２ 宏觀分析 

GIS機構拆解下的帶孔止動螺栓尚未完全斷裂 分離,如圖１a)所示.用手將最后連接部分扯斷,目 視上下斷口并無較大差別,斷口較為平整.采用基恩士 VHXＧ５００型數(shù)碼顯微鏡觀察斷口,如圖１b)所 示,斷裂起始于螺牙底部,螺栓斷裂前受到拉應力作 用,斷裂由螺牙底逐漸擴展到整個斷面,直到最終斷 裂,斷口處無明顯塑性變形,且斷面與軸線垂直,呈 脆性斷裂特征. 

１．３ 斷口微觀分析 

止動螺栓斷口經(jīng)丙酮反復清洗后,利用日本電 子JSMＧ６５１０A 型掃描電鏡(SEM)觀察圖１b)中螺 栓斷口的斷裂源、擴展區(qū)、終斷區(qū)的顯微形貌,結(jié)果 如圖２所示.圖２a)為斷裂源處的沿晶斷裂形貌, 斷口以典型的沿晶冰糖狀形貌為主;圖２b)為斷裂 源處沿晶斷裂晶面的形貌特征,可見晶面上分布有 雞爪紋理;圖２c)為斷口心部的擴展區(qū)微觀形貌,可 見存在晶間二次裂紋并伴隨有微孔;圖２d)為終斷 區(qū)的混合斷裂形貌,斷口上分布有韌窩并伴隨有沿 晶斷裂.斷口微觀分析結(jié)果表明,止動螺栓斷口呈 現(xiàn)典型的氫脆斷裂特征.

１．４ 維氏硬度測試 

使用 HVＧ５型顯微硬度計對斷裂止動螺栓表面 及心部硬度進行測試,試驗載荷為４．９N(５００gf), 加載時間為１０s,結(jié)果如表２所示.可見螺栓的表 面和心部硬度均符合JISB１０５３－１９９９«用碳鋼和合 金鋼制成的緊固件的機械特性 第５部分:不低于拉 伸強度的緊固螺釘和類似緊固螺釘»對４５H 強度等級螺栓的技術要求.

１．５ 氫脆評估試驗 

１．５．１ 扭轉(zhuǎn)強度試驗 

根據(jù)JISB１０５３－１９９９中６．３款力學性能中的 強度試驗方法,從同一批次螺栓隨機抽取２件,正常 運行設備上拆掉其他批次的螺栓１件,進行扭轉(zhuǎn)試 驗.試驗按JISB１０５３－１９９９中的圖３進行.標準 要求規(guī)格 M６、強度等級４５H 的螺栓能承受８．５N??m 力矩,試 驗 結(jié) 果 表 明 同 批 次 的 ２ 個 螺 栓 在 承 受 ８．５N??m力矩時均發(fā)生斷裂,而設備上正常使用的螺 栓能夠承受８．５N??m 力矩,未發(fā)生斷裂,表明本批次 螺栓強度不能滿足規(guī)格 M６、強度等級４５H 的扭轉(zhuǎn)載 荷試驗要求.當螺栓中氫含量達到一定程度時,螺栓 極限載荷會有所降低[１],觀察螺栓斷口平齊,為脆性 斷口,由此判斷本批次螺栓存在氫脆的風險.

１．５．２ 慢應變拉伸試驗 

分別取同一批次 M６螺栓２件和其他批次正常 使用的 M６螺栓１件,進行慢應變拉伸試驗,快速對 其抗氫脆性能進行評估[２Ｇ３].采用美特斯工業(yè)系統(tǒng) CMTＧ５１０５型微機控制萬能試驗機對螺栓進行慢應 變 拉 伸 試 驗,試 驗 條 件 如 下:拉 伸 速 率 為 ０．０２mm??min－１,應變速率為 １０－４ s－１.慢應變拉 伸試驗結(jié)果見表３,試驗曲線如３a)所示.由圖３a) 可見:同批次螺栓１號和２號均在屈服前斷裂,呈脆性斷裂,不存在明顯的屈服;３ 號螺栓則為韌性斷 裂,存在明顯的屈服.３號螺栓的抗拉強度大于１號 和２號螺栓的,這是因為隨著螺栓中氫含量的增加, 其抗拉強度隨之降低,并發(fā)生脆性斷裂[１].通過掃 描電鏡對３個慢應變拉伸斷口進行觀察:１號和２號 螺栓斷口平整,其微觀形貌呈冰糖狀的沿晶斷裂,如 圖３b)和 圖 ３c)所 示;與 斷 裂 螺 栓 斷 口 形 貌 相 似, １號和２號螺栓沿晶斷裂面上也分布有雞爪紋理, 局部存在 沿 晶 二 次 裂 紋 并 伴 有 微 孔,如 圖 ３d)和 圖３e)所示;３號螺 栓 斷 口 形 貌 如 圖３f)所 示,斷 口 上有大量韌窩,屬于韌性斷裂.慢應變拉伸試驗結(jié) 果表明,本批次螺栓存在嚴重的氫脆風險. 

１．６ 金相檢驗 

１．６．１ 非金屬夾雜物檢驗 

對斷裂的螺栓縱向取樣,經(jīng)磨制、拋光后使用OLYMPUSGX５１ 型金相顯微鏡觀察螺栓拋光態(tài) 下的非金屬夾雜物及缺陷情況.結(jié)果表明:螺栓拋 光態(tài)下放大１００倍心部未見明顯非金屬夾雜物及帶 狀偏析.

１．６．２ 脫碳層檢驗 

將斷裂螺栓沿軸向剖開,制備金相試樣,進行螺 紋脫碳層檢驗.經(jīng)磨制、拋光后用４％(體積分數(shù)) 硝酸酒精溶液侵蝕,使用 OLYMPUSGX５１型金相 顯微鏡進行觀察,螺紋處顯微形貌如圖４所示.根 據(jù)JISB１０５３－１９９９中金相法測定螺栓脫碳層的規(guī) 定,測得螺紋未脫碳的高度 E＝０．４９８ mm(技術要 求E≥０．４５９mm),螺紋全脫碳層深度G＝９．３８μm (技術要求 G≤１５μm),螺紋脫碳層檢驗結(jié)果符合 JISB１０５３－１９９９技術要求.

１．６．３ 顯微組織檢驗 

選取斷裂的螺栓和慢應變拉伸試驗斷裂的３號 螺栓,進行顯微組織比較.對兩個螺栓進行橫向取 樣,經(jīng)磨制、拋光后用４％(體積分數(shù))硝酸酒精溶液 侵蝕,通過 OLYMPUSGX５１型金相顯微鏡進行觀 察.如圖５所示,二者顯微組織基本一致,均為回火 索氏體,其中斷裂螺栓中還有少量塊狀鐵素體,為正 常調(diào)質(zhì)熱處理顯微組織[４Ｇ５].

２ 綜合分析 

以上理化檢驗結(jié)果表明,斷裂止動螺栓的化學 成分、硬度、顯微組織均符合相關標準技術要求.斷 口分析結(jié)果顯示,斷裂螺栓斷口宏觀上無明顯塑性 變形,斷面平整,斷口微觀形貌以冰糖狀沿晶斷裂為 主,并且在沿晶斷裂面上有大量雞爪紋理,晶面上有 微孔并且伴有晶間二次裂紋,呈典型氫脆沿晶斷裂 特征.螺栓氫脆評估試驗結(jié)果表明,斷裂批次螺栓 存在嚴重的氫脆風險.

螺栓產(chǎn)生 氫 脆 主 要 與 鋼 中 氫 含 量 過 高 有 關, 但也與鋼中的碳含量、顯微組織、強度以及零部件 所受的應 力 有 關.研 究 發(fā) 現(xiàn),如 果 鋼 的 抗 拉 強 度 達到１１２８ MPa或者硬度達到３７ HRC以上時,其 氫脆敏感 性 就 會 很 高,零 部 件 在 表 面 處 理(電 鍍、 酸洗)后如果去氫工藝不當,引入的氫元素就很容 易誘 發(fā) 氫 脆 斷 裂[６].止 動 螺 栓 斷 口 形 貌 特 征 表 明,由于去氫 工 藝 不 當 引 入 的 氫 元 素 已 擴 散 至 整 個螺栓材料中.

斷裂止動螺栓強度等級為４５H,屬于高強度螺 栓,其硬度達到了３７HRC以上,因此氫脆敏感性較 強.螺栓表面進行了電鍍鋅處理,其電鍍鋅工藝如 下:脫 脂 → 水 洗 → 酸 洗 → 電 解 除 油 → 水 洗 → １０％HCl(體積分數(shù))活化→水洗→電鍍鋅→水洗→ 出光→鈍化(CrO３,H２SO４,HNO３)水洗 → 干燥 → 老化,可見在電鍍鋅過程中有酸洗工序和鹽酸活化 工序,在進行這兩個工序時,極易引入氫.如果在電 鍍后去氫工藝不當或者漏掉去氫工序,氫元素便會 殘留在螺栓中,造成螺栓在使用過程中發(fā)生由氫脆 誘發(fā)的延遲斷裂.一般鋼中氫含量在０．０００５％~ ０．００１％(質(zhì)量分數(shù))時就會產(chǎn)生氫脆斷裂,對于高強 度鋼,其臨界氫含量還要低的多.斷裂螺栓的硬度 和氫脆評估試驗結(jié)果,間接驗證了螺栓中氫含量的 過量,螺栓存在氫脆的危險.該止動螺栓工作時主要受靜態(tài) 應 力 和 氫 元 素 作 用,產(chǎn) 品 裝 配 結(jié) 束 進 行 ２００次操作試驗后,推測止動螺栓上出現(xiàn)了裂紋,最 后在進行調(diào)整時受到扭轉(zhuǎn)力作用而發(fā)生最終斷裂. 因此,氫和應力的共同作用是造成該批次止動螺栓 發(fā)生氫脆斷裂的主要原因[７Ｇ８].

３ 結(jié)論及改進措施 

(１)該批次２５２kV GIS機構止動螺栓斷裂屬 于典型的沿晶氫脆斷裂. 

(２)螺栓在電鍍鋅表面處理過程中引入了氫元 素,去氫工藝不當造成氫元素殘留,從而導致螺栓在 使用過程中于氫和應力的共同作用下發(fā)生延遲斷 裂,其中過量氫是造成該批次止動螺栓氫脆斷裂的 根本原因. 

(３)建議對于抗拉強度大于１１２８MPa或者硬 度高于３７HRC的高強度等級的螺栓在電鍍鋅后要 及時進行去氫處理,且應嚴格執(zhí)行去氫工藝規(guī)范,避 免因去氫工藝不當誘發(fā)氫脆斷裂;另外可以采取適 當降低合金鋼的碳含量、適量提高回火溫度等措施; 對于要經(jīng)過海上運輸?shù)膶浯嗝舾械牧悴考?在運 輸時要進行包裝防護,避免長期接觸海霧而導致零 部件局部滲氫.

參考文獻: 

[１] 崔喆珉．高強度緊固件氫脆檢測評估方法研究[D]． 杭州:浙江工業(yè)大學,２０１５． 

[２] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國 家標準化管理委員會．金屬和合金的腐蝕 應力腐蝕 試驗 第７ 部分:慢 應 變 速 率 試 驗:GB/T１５９７０．７－ ２０００[S]．北京:中國標準出版社． 

[３] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國 家標準化管理委員會．緊固件機械性能 螺栓、螺釘和 螺柱:GB/T３０９８．１－２０１０[S]．北京:中國標準出版 社． 

[４] 李炯輝．金屬材料金相圖譜[M]．北京:機械工業(yè)出版 社,２００６． 

[５] 韓克甲,趙曉輝,李洪偉．３５CrMo鋼高強螺栓斷裂失 效分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１７,５３(６):４３４Ｇ ４３６． 

[６] 日本熱處理技術協(xié)會,日本金屬熱處理工業(yè)會．新版 熱處理技術入門[M]．姚忠凱,譯．北京:機械工業(yè)出 版社,１９８７． 

[７] 劉德林,陶春虎,劉昌奎,等．鋼氫脆失效的新現(xiàn)象與 新認識[J]．失效分析與預防,２０１５(６):３７６Ｇ３８３． 

[８] 王挺,李振華．鍍鋅螺釘斷裂分析[J]．理化檢驗(物理 分冊),２０１５,５１(９):６６８Ｇ６７０． 

文章來源——材料與測試網(wǎng)