分享：２５２kVGIS机构止动螺栓的断裂失效分析

摘 要:某批次３５CrMo合金钢２５２kV 气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)机构电镀锌止动螺栓在 合闸试验调节中发生断裂失效,通过化学成分分析、断口分析、硬度测试、氢脆评估试验、金相检验等 方法对螺栓断裂原因进行了分析.结果表明:该止动螺栓断裂是由氢脆造成的,而止动螺栓发生氢脆 断裂是由螺栓电镀锌后去氢工艺不当造成的.最后提出了预防螺栓氢脆断裂的改进措施. 

关键词:止动螺栓;断裂;氢脆;失效分析 

中图分类号:TG１１５;TH１３１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６０２Ｇ０５

某 ２５２kV 气体绝缘金属封闭开关设备(Gas InsulatedSwitchgear,GIS)智能变机构进行出厂机 械特性试验,操作２００次后,发现 GIS的断路器三 相合闸时间均不在管理值范围(７５~１００ms)之内. 使用５N??m 力矩扳手紧固调节机构的合闸时间螺 栓,第一次调整未能达到管理值要求,再次进行调整 时发现 C相合闸调整螺栓松动,拧出螺栓发现已经 断裂,断裂螺栓形貌如图１所示.断裂带孔止动螺 栓为东芝进 口 螺 栓,规 格 为 M６×３０,强 度 等 级 为 ４５H,材料为３５CrMo钢,要求表面处理工艺为电镀锌(F５１E２B)并进行去氢处理(P１０F１).为查明该 螺栓断裂失效的原因,笔者通过一系列理化试验方 法,对断裂的螺栓及同规格螺栓进行了检验和分析, 并提出了相应的预防措施.

１ 理化检验 

１．１ 化学成分分析 

对断裂螺栓基体取样,采用岛津 PDA７０００ 型 直 读光谱仪进行化学成分分析,结果见表１.可见该断 裂 螺 栓 的 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T３０７７－ ２０１５«合金结构钢»对３５CrMo钢成分的技术要求.

１．２ 宏观分析 

GIS机构拆解下的带孔止动螺栓尚未完全断裂 分离,如图１a)所示.用手将最后连接部分扯断,目 视上下断口并无较大差别,断口较为平整.采用基恩士 VHXＧ５００型数码显微镜观察断口,如图１b)所 示,断裂起始于螺牙底部,螺栓断裂前受到拉应力作 用,断裂由螺牙底逐渐扩展到整个断面,直到最终断 裂,断口处无明显塑性变形,且断面与轴线垂直,呈 脆性断裂特征. 

１．３ 断口微观分析 

止动螺栓断口经丙酮反复清洗后,利用日本电 子JSMＧ６５１０A 型扫描电镜(SEM)观察图１b)中螺 栓断口的断裂源、扩展区、终断区的显微形貌,结果 如图２所示.图２a)为断裂源处的沿晶断裂形貌, 断口以典型的沿晶冰糖状形貌为主;图２b)为断裂 源处沿晶断裂晶面的形貌特征,可见晶面上分布有 鸡爪纹理;图２c)为断口心部的扩展区微观形貌,可 见存在晶间二次裂纹并伴随有微孔;图２d)为终断 区的混合断裂形貌,断口上分布有韧窝并伴随有沿 晶断裂.断口微观分析结果表明,止动螺栓断口呈 现典型的氢脆断裂特征.

１．４ 维氏硬度测试 

使用 HVＧ５型显微硬度计对断裂止动螺栓表面 及心部硬度进行测试,试验载荷为４．９N(５００gf), 加载时间为１０s,结果如表２所示.可见螺栓的表 面和心部硬度均符合JISB１０５３－１９９９«用碳钢和合 金钢制成的紧固件的机械特性 第５部分:不低于拉 伸强度的紧固螺钉和类似紧固螺钉»对４５H 强度等级螺栓的技术要求.

１．５ 氢脆评估试验 

１．５．１ 扭转强度试验 

根据JISB１０５３－１９９９中６．３款力学性能中的 强度试验方法,从同一批次螺栓随机抽取２件,正常 运行设备上拆掉其他批次的螺栓１件,进行扭转试 验.试验按JISB１０５３－１９９９中的图３进行.标准 要求规格 M６、强度等级４５H 的螺栓能承受８．５N??m 力矩,试 验 结 果 表 明 同 批 次 的 ２ 个 螺 栓 在 承 受 ８．５N??m力矩时均发生断裂,而设备上正常使用的螺 栓能够承受８．５N??m 力矩,未发生断裂,表明本批次 螺栓强度不能满足规格 M６、强度等级４５H 的扭转载 荷试验要求.当螺栓中氢含量达到一定程度时,螺栓 极限载荷会有所降低[１],观察螺栓断口平齐,为脆性 断口,由此判断本批次螺栓存在氢脆的风险.

１．５．２ 慢应变拉伸试验 

分别取同一批次 M６螺栓２件和其他批次正常 使用的 M６螺栓１件,进行慢应变拉伸试验,快速对 其抗氢脆性能进行评估[２Ｇ３].采用美特斯工业系统 CMTＧ５１０５型微机控制万能试验机对螺栓进行慢应 变 拉 伸 试 验,试 验 条 件 如 下:拉 伸 速 率 为 ０．０２mm??min－１,应变速率为 １０－４ s－１.慢应变拉 伸试验结果见表３,试验曲线如３a)所示.由图３a) 可见:同批次螺栓１号和２号均在屈服前断裂,呈脆性断裂,不存在明显的屈服;３ 号螺栓则为韧性断 裂,存在明显的屈服.３号螺栓的抗拉强度大于１号 和２号螺栓的,这是因为随着螺栓中氢含量的增加, 其抗拉强度随之降低,并发生脆性断裂[１].通过扫 描电镜对３个慢应变拉伸断口进行观察:１号和２号 螺栓断口平整,其微观形貌呈冰糖状的沿晶断裂,如 图３b)和 图 ３c)所 示;与 断 裂 螺 栓 断 口 形 貌 相 似, １号和２号螺栓沿晶断裂面上也分布有鸡爪纹理, 局部存在 沿 晶 二 次 裂 纹 并 伴 有 微 孔,如 图 ３d)和 图３e)所示;３号螺 栓 断 口 形 貌 如 图３f)所 示,断 口 上有大量韧窝,属于韧性断裂.慢应变拉伸试验结 果表明,本批次螺栓存在严重的氢脆风险. 

１．６ 金相检验 

１．６．１ 非金属夹杂物检验 

对断裂的螺栓纵向取样,经磨制、抛光后使用OLYMPUSGX５１ 型金相显微镜观察螺栓抛光态 下的非金属夹杂物及缺陷情况.结果表明:螺栓抛 光态下放大１００倍心部未见明显非金属夹杂物及带 状偏析.

１．６．２ 脱碳层检验 

将断裂螺栓沿轴向剖开,制备金相试样,进行螺 纹脱碳层检验.经磨制、抛光后用４％(体积分数) 硝酸酒精溶液侵蚀,使用 OLYMPUSGX５１型金相 显微镜进行观察,螺纹处显微形貌如图４所示.根 据JISB１０５３－１９９９中金相法测定螺栓脱碳层的规 定,测得螺纹未脱碳的高度 E＝０．４９８ mm(技术要 求E≥０．４５９mm),螺纹全脱碳层深度G＝９．３８μm (技术要求 G≤１５μm),螺纹脱碳层检验结果符合 JISB１０５３－１９９９技术要求.

１．６．３ 显微组织检验 

选取断裂的螺栓和慢应变拉伸试验断裂的３号 螺栓,进行显微组织比较.对两个螺栓进行横向取 样,经磨制、抛光后用４％(体积分数)硝酸酒精溶液 侵蚀,通过 OLYMPUSGX５１型金相显微镜进行观 察.如图５所示,二者显微组织基本一致,均为回火 索氏体,其中断裂螺栓中还有少量块状铁素体,为正 常调质热处理显微组织[４Ｇ５].

２ 综合分析 

以上理化检验结果表明,断裂止动螺栓的化学 成分、硬度、显微组织均符合相关标准技术要求.断 口分析结果显示,断裂螺栓断口宏观上无明显塑性 变形,断面平整,断口微观形貌以冰糖状沿晶断裂为 主,并且在沿晶断裂面上有大量鸡爪纹理,晶面上有 微孔并且伴有晶间二次裂纹,呈典型氢脆沿晶断裂 特征.螺栓氢脆评估试验结果表明,断裂批次螺栓 存在严重的氢脆风险.

螺栓产生 氢 脆 主 要 与 钢 中 氢 含 量 过 高 有 关, 但也与钢中的碳含量、显微组织、强度以及零部件 所受的应 力 有 关.研 究 发 现,如 果 钢 的 抗 拉 强 度 达到１１２８ MPa或者硬度达到３７ HRC以上时,其 氢脆敏感 性 就 会 很 高,零 部 件 在 表 面 处 理(电 镀、 酸洗)后如果去氢工艺不当,引入的氢元素就很容 易诱 发 氢 脆 断 裂[６].止 动 螺 栓 断 口 形 貌 特 征 表 明,由于去氢 工 艺 不 当 引 入 的 氢 元 素 已 扩 散 至 整 个螺栓材料中.

断裂止动螺栓强度等级为４５H,属于高强度螺 栓,其硬度达到了３７HRC以上,因此氢脆敏感性较 强.螺栓表面进行了电镀锌处理,其电镀锌工艺如 下:脱 脂 → 水 洗 → 酸 洗 → 电 解 除 油 → 水 洗 → １０％HCl(体积分数)活化→水洗→电镀锌→水洗→ 出光→钝化(CrO３,H２SO４,HNO３)水洗 → 干燥 → 老化,可见在电镀锌过程中有酸洗工序和盐酸活化 工序,在进行这两个工序时,极易引入氢.如果在电 镀后去氢工艺不当或者漏掉去氢工序,氢元素便会 残留在螺栓中,造成螺栓在使用过程中发生由氢脆 诱发的延迟断裂.一般钢中氢含量在０．０００５％~ ０．００１％(质量分数)时就会产生氢脆断裂,对于高强 度钢,其临界氢含量还要低的多.断裂螺栓的硬度 和氢脆评估试验结果,间接验证了螺栓中氢含量的 过量,螺栓存在氢脆的危险.该止动螺栓工作时主要受静态 应 力 和 氢 元 素 作 用,产 品 装 配 结 束 进 行 ２００次操作试验后,推测止动螺栓上出现了裂纹,最 后在进行调整时受到扭转力作用而发生最终断裂. 因此,氢和应力的共同作用是造成该批次止动螺栓 发生氢脆断裂的主要原因[７Ｇ８].

３ 结论及改进措施 

(１)该批次２５２kV GIS机构止动螺栓断裂属 于典型的沿晶氢脆断裂. 

(２)螺栓在电镀锌表面处理过程中引入了氢元 素,去氢工艺不当造成氢元素残留,从而导致螺栓在 使用过程中于氢和应力的共同作用下发生延迟断 裂,其中过量氢是造成该批次止动螺栓氢脆断裂的 根本原因. 

(３)建议对于抗拉强度大于１１２８MPa或者硬 度高于３７HRC的高强度等级的螺栓在电镀锌后要 及时进行去氢处理,且应严格执行去氢工艺规范,避 免因去氢工艺不当诱发氢脆断裂;另外可以采取适 当降低合金钢的碳含量、适量提高回火温度等措施; 对于要经过海上运输的对氢脆敏感的零部件,在运 输时要进行包装防护,避免长期接触海雾而导致零 部件局部渗氢.

参考文献: 

[１] 崔喆珉．高强度紧固件氢脆检测评估方法研究[D]． 杭州:浙江工业大学,２０１５． 

[２] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国 家标准化管理委员会．金属和合金的腐蚀 应力腐蚀 试验 第７ 部分:慢 应 变 速 率 试 验:GB/T１５９７０．７－ ２０００[S]．北京:中国标准出版社． 

[３] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国 家标准化管理委员会．紧固件机械性能 螺栓、螺钉和 螺柱:GB/T３０９８．１－２０１０[S]．北京:中国标准出版 社． 

[４] 李炯辉．金属材料金相图谱[M]．北京:机械工业出版 社,２００６． 

[５] 韩克甲,赵晓辉,李洪伟．３５CrMo钢高强螺栓断裂失 效分析[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(６):４３４Ｇ ４３６． 

[６] 日本热处理技术协会,日本金属热处理工业会．新版 热处理技术入门[M]．姚忠凯,译．北京:机械工业出 版社,１９８７． 

[７] 刘德林,陶春虎,刘昌奎,等．钢氢脆失效的新现象与 新认识[J]．失效分析与预防,２０１５(６):３７６Ｇ３８３． 

[８] 王挺,李振华．镀锌螺钉断裂分析[J]．理化检验(物理 分册),２０１５,５１(９):６６８Ｇ６７０． 

文章来源——材料与测试网