双动滑阀螺栓断裂失效分析

李家鼎，吴素君，史青君，刘翊之，钟群鹏

(北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100083)

[摘　要]对双动滑阀装置上连接基座与滑道的螺栓在使用过程中发生的断裂进行了分析。结果表明，该螺栓化学成分和金相组织未见异常。断裂为多源沿晶断裂。经过对螺栓的服役条件以及工作中受力情况进行分析，认为螺栓断裂主要是由于长时间在高温条件下发生蠕变导致的。

[关键词]螺栓;断裂;蠕变

1　引言

某炼油厂高强度螺栓服役八年后断裂。螺栓采用GH4033高温合金，其工作条件如图1所示，可以看到，该滑阀装置的基底与滑道用螺栓连接，滑道分前后两个，每个滑道上有六个螺栓，共十二个。前面的滑道已经严重脱落，连接基底与滑道的螺栓中前面4根紧固螺栓齐根折断，第5根螺栓脱扣。滑阀装置依靠两个滑板在滑道内的相对滑动来控制阀口的大小，进而控制进入阀口烟气的量，烟气的最高温度为810℃。将前两个最先断裂的螺栓取下，其断口形貌如图2所示，S1为图1中滑轨张开最大处的螺栓，即为最先断裂的螺栓，S2为S1断裂后随之断裂的螺栓。由于螺栓S1的断裂导致其它螺栓失效和催化装置停机停产，造成较大的经济损失，因此有必要对最先断裂螺栓的断裂原因进行分析。

2　检验与分析

2.1　宏观检验

在体视显微镜下对S1的断口进行观察，发现断口较粗糙，呈暗黑色。断口氧化严重，根据断口上裂纹的扩展趋势可以看出裂纹起源于螺栓表面，扩展区面积较大，裂纹源区和瞬断区面积较小，螺栓边缘有少量撕裂区(图3)。断口呈岩石状沿晶形貌，见图4。

2.2　化学成分分析

在螺栓上远离断口的部位取样，用砂纸磨光后进行EDS化学成分检测，结果见表1。与GH4033高温合金标准规定的化学成分[1]比较，可以发现，材料中Al、Cr、Ti、P、Ni、Si的含量基本正常。其中Cr的作用为增强抗氧化及耐热能力，Al、Ti为强化元素。断口的EDS化学成分分析结果见表1。可以看出断口氧化严重，虽然该螺栓服役条件为腐蚀性硫氛围，但断口上没有含硫腐蚀产物。

2.3　断口微观形貌

裂纹起源于螺栓表面(图5)。图中的亮线反映了裂纹扩展的趋势。图6为S1某一裂纹源点形貌，主要为沿晶断裂形貌。图7为最后瞬断撕裂形貌，为韧窝特征。图8为断口源区的微裂纹，断口上存在较多这种沿晶的微裂纹和孔洞。

2.4　金相检验

将试样垂直于断面切开，经抛光后用HNO3+HCL溶液腐蚀，在光学显微镜下观察，发现从试样表面到心部金相组织未见异常，通过zesiss软件进行晶粒度统计，晶粒尺寸为149.2μm，晶粒度为2级～4级，符合GH4033高温合金标准中高温条件下服役对晶粒度的要求。螺栓的晶粒组织如图9所示。在断口附近可发现明显的蠕变损伤。图10清楚地显示了螺栓螺纹齿根的裂纹。这些裂纹均呈现明显的沿晶开裂，且开裂处十分洁净，没有腐蚀迹象。图11、图12显示了断口上的由于蠕变导致晶界之间(包括三晶交界)相对滑动的沿晶开裂。由图12还可以看出三晶交界处有明显塑性变形，变形区颜色发白。

3　结果分析

通过以上试验发现螺栓断口在高温作用下氧化严重，断裂为沿晶韧性断裂，通过宏观以及SEM断面观察发现裂纹起源于螺栓表面及亚表面的一些部位，然后裂纹逐渐向内部扩展。化学成分分析结果表明，材料化学成分未见异常。断口的成分分析未发现硫腐蚀产物，说明该螺栓虽然服役于腐蚀性硫气氛中，但该断裂与晶界腐蚀无关。金相检验表明该材料组织正常，晶粒度为2级～4级，无明显组织不均匀现象。螺纹齿根可见沿晶微裂纹，呈现向中间扩展的趋势。由于螺栓用于连接基体与滑道，承受沿轴向的正应力较大，而螺纹齿根部位由于其特殊形状外加螺冒松动等原因受到应力最大，易成为裂纹的起源位置[2，3]。同时滑阀阀门在轨道上滑动时螺栓在连接处承受较大的切应力，这种大的切应力加速了裂纹从边缘向心部扩展。由螺纹根部以及断口上的裂纹均在两晶交界或三晶交界处，裂纹两边可较好地再次啮合在一起且颜色发白，表明裂纹为应力作用下的晶界错动及塑性变形导致的。通过以上分析可以确定该螺栓为高温下的蠕变断裂。在高温和应力作用下，有可能使相临晶粒沿晶界滑动，而滑移导致晶界两端近临晶粒内形成畸变区。这种畸变区在高温下通过原子扩散、位错攀移等方式得到协调，从而为晶界滑动的继续进行创造条件。这样的晶界滑动和扩散协调的交替进行就产生了蠕变变形[4]。

由于GH4033高温合金的熔点不高于1500℃，那么它的等强温度应低于750℃。该螺栓的服役温度为500℃～800℃之间，可见等强温度在服役温度范围内。在使用温度高于等强温度的情况下，晶界的结合能比晶内的小，容易发生沿晶开裂。由于该螺栓要固定基底和滑道，在竖直方向上受较大拉应力，同时由于双动滑阀阀门在其轨道上的滑动使得螺栓在水平方向上受较大剪切应力，在应力的作用下通过晶界的错动和塑性变形产生孔洞，然后这些孔洞又在应力作用下沿晶界继续增长，聚合连接形成微裂纹，微裂纹连通形成宏观裂纹，直至断裂[5]。在外加应力长时间的作用下，螺纹齿根受到的应力最大，因此最先产生裂纹，而水平方向上的切应力又加速了这些裂纹逐渐向螺栓中心扩展，直到螺栓无法承受外力的作用而断裂。

4　结论

GH4033高温合金螺栓的断裂为高温蠕变断裂，断裂的主要原因为工作温度偏高。断口呈现典型蠕变沿晶开裂形貌。