转炉连接螺栓断裂分析

陈兴元　刘锦燕　蒋仁贵

(攀枝花钢铁研究院　攀枝花617000)

摘　要：分析了炼钢转炉托圈连接螺栓早期断裂的原因。结果表明，开裂起源于加工时变截面过渡圆角的尖刀痕，经短程疲劳扩展后发生脆断。螺栓脆断是由于严重的冶金缺陷及组织不良，导致材料性能恶化。重新热处理后获得了良好的综合性能。

主题词：　螺栓；　疲劳断裂；　过热；　冶金缺陷

1　引言

随着钢铁工业的迅速发展，传统复杂的转炉炉体与托圈的连接装置已逐渐被先进的球面带销自调螺栓所取代。攀钢炼钢转炉(额定熔炼120t)投产运行约一年，其中一根<280mm连接螺栓突然断裂。为查明螺栓的断裂原因，对断裂螺栓进行了失效分析。

2　检验结果与分析

2.1　螺栓的化学成分

设计要求螺栓材质为34CrNi3Mo钢。在断裂螺栓上取样，化学分析结果表明其材质符合JB/ZQ4288-1986的规定，见表1。

2.2　断口观察

现场检查发现，断裂发生在应力集中最大的变截面圆角过渡(R=32)部位，断口经清洗后的外貌见图1。断口一侧边缘有宽约10mm，弧长约160mm的环形光滑区。光滑区(图1中箭头指处)断口细致，可以看到由多个断裂源形成的裂纹扩展面，说明裂纹萌生的应力很高。其余大部分断口为瞬断区，说明螺栓材料具有很高的缺口敏感性。从断口上的撕裂棱线走向可以看出脆性断裂起源于光滑区，扩展至半个断口面后向一侧凹陷。宏观断口特征的变化也证明光滑区为疲劳区。疲劳断口所占的面积非常小，说明裂纹形成后很快就失稳扩展至断裂。

经观察发现，呈弧形的疲劳区断裂恰始于一条深刀痕。由于断口偏斜，距弧形疲劳断口不远处还保留着完整的刀痕(图2)。过渡圆角表面加工粗糙，尤其紧挨深刀痕一段轴面，被刀具撕裂的毛刺清晰可见。

        图1　螺栓局部断口形貌(箭头指处为疲劳区)                 图2　紧挨断口的刀痕形貌　1.3×

2.3　冶金质量检查

在紧挨断口部位取横向试片(厚约20mm)磨光后，硫印结果显示出晶间裂纹花样和严重的黑色硫化物偏析区。将经硫印后的试片置于75℃的1∶1热盐酸水溶液中侵蚀后，检验其低倍组织，结果疏松>4.0级，偏析>4.0级，显然已超过GB1979-1980《结构钢低倍组织缺陷评级图》之评级范围。粗大的偏析点呈滴珠状，小的呈弯曲的片状，内部裂纹与硫印上显示的裂纹花样有良好的对应关系，试片背面有几条沿内裂的残酸污染痕，说明部分裂纹是贯穿的。内裂区域的树枝状晶非常粗大(图3)，说明螺栓的锻压比太小。

2.4　断口试验

为了进一步检验螺栓材料的冶金质量，在已断螺栓上任意取四个断口试样(尺寸为60mm×55mm×320mm)，一面开呈V型缺口，然后在100t的试验机上压断。检验四个压断试样的断口都未见白点缺陷，其中一个试样的匹配断口面上有肉眼可见的灰色夹层缺陷，被撕裂的灰色夹杂在斜射光下显得较光滑而无金属光泽，且有分枝(图4)，有的区域可见闪亮的单个晶粒面。另一个试样的匹配断口面上显示出灰色物集中区。其余两个试样断口上未见异常。

图3　“内裂”区的低倍组织　1.7×              图4　断口面的夹杂缺陷(斜射光)　6.7×

扫描电镜下观察，断口呈冰糖状沿晶断口特征(图5)，说明材料很脆。在夹层断口处取纵横向试样检验夹杂物，图6为横向试样显示出的粗大的沿晶夹杂，纵向抛光面上则呈长条形态的大型夹杂(图7)，其中单条夹杂宽度(或厚度)约125Lm。电子探针分析大型夹杂的主要成分为w/%:Mn33，Cr12，Fe2，S38，Ca6。在复合硅酸盐夹杂中包裹着形状规则的锰尖晶石，除大型夹杂物外，其余夹杂多呈集中和沿晶分布。从上述检验结果可以肯定，低倍试片上显示出的贯穿性裂纹并非真正的裂纹，而是大型夹杂物被酸蚀脱落所致，与裂纹有同样的破坏效果。

图5　微观断口形貌

图6　断口夹层中的夹杂形态(抛光态)　12.8×        图7　断口夹层中的条状夹杂(抛光态)　50×

2.5　显微组织检验

分别在已断螺栓表面和1ö4直径部位取样，在光学显微镜下检验，螺栓表面组织为回火马氏体+粗大的上贝氏体(图8)，螺栓内部组织的形态与边缘相同，且大部分是粗大的上贝氏体，这可能与淬火时冷却速度慢有关。用2%硝酸酒精溶液可显示明暗相间的区域，尤其暗区域的晶界轮廓易被显示。用苦味酸加十二烷基苯磺酸钠显示其奥氏体晶粒度为2级，晶界已平直化，说明螺栓在热处理过程中已经过热。

图8　断裂螺栓表面组织形貌　320×              图9　热处理试样的冲击断口形貌　2×

2.6　力学性能及热处理试验

取经断口检验未见冶金缺陷的试样，一组加工成标准拉伸试样(2件)和U形缺口冲击试样(3件)；另一组试样(25mm×25mm×320mm)经860℃淬火，600℃回火(采用水冷和炉冷两种方式冷却)后，再加工成同样数量的标准试样，在室温条件下测量两组试样的力学性能，结果见表2。硬度在冲击试样的残余件上测定。

原设计要求调质热处理后HB=286～321，σs≥784MPa，σb≥931MPa，对冲击韧性指标没有规定。从表2看出断裂螺栓的σb，σ0.2，δ，ψ和HB均符合JB/ZQ4288-1986的规定，但冲击韧性却远远低于GB3077-1988《合金结构钢技术条件》中的要求，说明材料已经脆化。重新热处理的试样不仅强度、硬度比断裂螺栓的高，冲击韧性也比断裂螺栓约高4倍。

重新热处理的试样，其冲击断口上无缺口的三侧都有剪切唇(图9)，而断裂螺栓的冲击断口显得平直，没有塑性变形(图10)。

显微镜下观察重新热处理试样的组织为回火索氏体(图11)，晶粒度为8级，与图8比较，重新热处理后材质的显微组织明显细化，且很均匀。

图10　断裂螺栓冲击断口形貌　3×               图11　重新热处理试样的显微组织　500×

2.7　未断螺栓的检验

5号炉的另一螺栓，因部分螺纹已经脆断脱落而被拆卸下来，在变截面处仍有肉眼可见的机加工刀痕，经着色，此部位隐约可见裂纹。经砂轮打磨后用磁粉检查，发现在变截面部位沿圆周方向存在断续分布的磁粉痕迹，用砂纸磨光后，放大镜下观察，证实存在周向裂纹。

残存的螺纹用锤一敲即断，敲下的螺纹断口经扫描电镜观察，其断口形貌和显微组织与已断螺栓相同。尽管没有进一步解剖检验此螺栓，根据以上检验结果可以得出螺纹脆断与过热脆化有关。

3　分析讨论

三根螺栓均匀分布在互成120°的三个部位将转炉炉体与托圈连接在一起，因此，当转炉处于任何倾动位置时，均能安全可靠地将转炉载荷连续平稳地传递给托圈，始终保持转炉炉体在托圈上的正确位置。此外，在设计受载条件下，螺栓始终承受竖直的轴向载荷，不受扭转和弯曲应力。根据设计资料，攀钢120t转炉炉体作用在托圈上的最大垂直载荷为750t，按最小截面尺寸(<280mm)设计安全系数为24，根据实测的螺栓强度(表2)计算，三根螺栓的总承载能力为P=3×F×Rb=17890.8t。然而，螺栓在低应力条件下发生脆断，其中存在必然的原因。

3.1　应力集中的影响

在螺栓制造过程中，采用增大变截面圆角半径的良好设计方案，可以降低一部分由于结构因素固有的应力集中效应。然而，变截面部位存在的尖刀痕却抵消了大圆角半径的有利作用，从而造成了应力的叠加效应。尽管整个截面上的平均应力远低于Rs，但在尖刀痕的局部微区的应力却相当高，因此，疲劳裂纹过早在尖刀痕处萌生。在变截面处沿周向形成的多个裂纹扩展面也定性地说明了裂纹萌生的应力很高。一旦微裂纹生长超出了形核力的影响范围，裂纹就进入缓慢扩展阶段，而外加载荷就是裂纹扩展的唯一驱动力。当裂纹扩展到一定深度时，裂纹尖端的应力强度增加，裂纹扩展速率增大，因此，裂纹前沿开始分叉，产生了向一个方向发展的类似河流花样的撕裂棱线。在撕裂棱线末端区域，快速扩展的裂纹突然偏离原来扩展的平面，向一侧凹陷。因为螺栓不承受弯曲载荷，这可能是由于螺栓内部存在夹层类冶金缺陷，导致裂纹沿最薄弱部位扩展的结果。

3.2　显微组织的影响

螺栓表面区域存在粗大上贝氏体和板条马氏体的混合组织，说明热处理不当。当螺栓受载时疲劳裂纹易在局部应力最高以及局部强度最低的微区(如被尖刀痕切露的粗大的上贝氏体区)萌生。不良组织的强度低，其疲劳抗力也低，已形核的裂纹也容易扩展。尤其，粗大的上贝氏体组织在有疲劳裂纹的情况下，抗冲击的性能极差，所以最终断裂区的面积相当大。另一方面，热处理过热的螺栓晶粒粗化，晶界面积减少，晶界上杂质元素的偏聚增加，晶粒边界就成了相对薄弱面，从而导致界面上内聚作用严重减弱，因此裂纹沿晶界扩展，形成“冰糖”状断口形貌。“冰糖”状沿晶断裂说明材料已经脆化，即使解决了早期疲劳问题，脆性断裂也会发生，这就是为什么疲劳裂纹很浅就发生脆断的原因。

3.3　提高螺栓寿命的建议

转炉服役过程中处于频繁的启动和制动，装料和出钢后炉体的重量也是不断变化的，因此螺栓受交变的轴向拉伸载荷。当交变载荷一定时，螺栓总的疲劳寿命Nf主要由疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展两者的难易程序所决定，即由疲劳裂纹萌生寿命Ni和裂纹扩展至断裂的寿命Np组成。可见，要提高螺栓的疲劳抗力，必须延长Ni和减缓裂纹扩展速率da/dN。因此，提高加工质量和冶金质量，并且以获得良好的组织来改善材料的强韧性是延长螺栓寿命的有效方法，否则，螺栓设计得再好也是不安全的。

4　结论

(1)螺栓材料的化学成分符合34CrNi3Mo钢的要求。

(2)螺栓的断裂是由早期疲劳裂纹引起的。螺栓过早产生疲劳裂纹，是由于变截面圆角过渡处的尖刀痕而造成严重的应力集中所致。

(3)螺栓组织不良、晶粒粗大和冶金质量低劣导致了材料脆化，因此，疲劳裂纹很浅就迅速扩展至断裂。

(4)靠改变使用条件来防止脆断是难以实现的，只有严格控制冶炼工艺，改善钢的质量；采用合理的热处理工艺，提高螺栓的综合力学性能；提高机械加工精度，降低应力集中效应才能避免螺栓的早期断裂。