特种钢螺母开裂失效分析

风电螺母，规格为M36，性能等级为10级，材质为45钢，表面热浸锌。该螺母用于风力发电设备的法兰盘固定，安装大约有一年时间，发现断裂，在一年时间期内，每间隔500小时维护一次。

试验过程与结果

断裂螺母检查，螺母可见一条纵向贯穿裂纹，螺母已断裂成两半，断裂螺母宏观形貌如图13-95所示。

图13-95 断裂螺母宏观形貌

螺母断面宏观形貌，见图13-96。

断面分为（A、B、C）3个区域，断面靠近螺纹一侧（A区）表面黑灰色，腐蚀严重；B区断面为一斜断面，表面灰色，与断面A之间有一条圆弧形分界线； C区断面为螺纹处（有一螺纹表面部分为白灰色，推测为外来的物资）

图13-96 断面宏观形貌

(1)  扫描电镜观察

采用扫描电镜对断面的A区、B区观察， A区断面与B区断面存在明显的成分反差，A区表面氧化严重，颜色较深，而B区为新鲜断口，颜色较浅，见图13-97。

A区断面表面氧化严重，隐约可见沿晶开裂，微观形貌见图13-98。

B区断面可见韧窝形貌，此区域为螺母的最终断裂区，微观形貌见图13-99。

图13-97   A、B区微观形貌

图13-98  A区断面微观形貌

图13-99   B区断面微观形貌

扫描电镜对C区断面进行能谱分析，能谱分析结果，C区断面有较高含量的Zn、Al、O等元素，见图13-100。

图13-100 C区断面形貌及能谱分析

（2）对螺母进行金相组织检查：

对螺母的纵向截面进行夹杂物检查，根据标准GB/T 10516-2005评定，螺母材料中的夹杂物为硫化物夹杂，A类，等级1.5级，如图13-101所示。

图13-101  夹杂物组织形貌

螺母近表面金相组织为回火索氏体，表面存在脱碳，见图3-102。

螺母开口附近金相组织为回火索氏体＋少量铁素体，裂纹面上有氧化层，但碳势未见异常，见图3-103。

图13-102螺母表层金相组织

图13-103螺母断裂面附近金相组织

用直读光谱法对螺母进行化学成分分析，其化学成分符合GB-T 699-1999标准中对45钢的要求。

对螺母进行硬度试验，硬度为297HV30，符合标准GB 3098.2-2000中对10级螺母的要求。

  分析与讨论

螺母裂纹面大部分区域表面氧化、腐蚀严重，内侧螺纹部位断面可见涂层，外侧为终断区，所占面积很小，说明螺母开裂由内向外发展。

内侧裂纹在表面处理之前就已存在，表面处理时浸涂溶液渗入裂纹，没有清洗干净而留在裂纹内，断口经能谱分析，断面有Zn、Al、Cr等元素，这些元素为表面处理过程中渗入的涂层材料。由此判断，该裂纹在螺母表面处理之前已经存在。

该螺母采用六方棒材加工，钻孔后攻螺纹，再热处理及表面处理。裂纹的产生只能出现在原材料或热处理的淬火过程；如果是原材料裂纹，基本上是在材料表面，在热处理过程中裂纹处还会有氧化、脱碳；而该裂纹是从内部向外扩展，裂纹处碳势未见异常，可排除原材料裂纹的因素，裂纹只能出现在热处理的淬火过程，为淬火裂纹。

淬火裂纹产生后，在表面处理过程中裂纹内残留了Zn、Al等元素，安装后在自然环境中一年多的时间里被氧化和腐蚀，裂纹内还残留了氧化和腐蚀的产物。裂纹在应力腐蚀中扩展，扩展区为沿晶开裂，裂纹扩展到一定程度，螺母所剩面积不大时，最后为韧性断裂。

虽然螺母有裂纹存在，但安装应力不是很大，所以，螺母安装时没有开裂。如果安装应力过大，安装时在应力作用下螺母就会断裂。

该螺母安装后在一年的时间中，在安装应力作用下，又受自然环境影响，螺母裂纹处被氧化和腐蚀，裂纹在应力腐蚀作用下进一步扩展，最后螺母断裂。

 结论与启示

（1） 螺母内侧的裂纹为淬火裂纹。

（2） 由于螺母存在淬火裂纹，受安装应力和自然环境中腐蚀的作用，裂纹不断扩展，最后螺母断裂。

（3） 风电螺母的产品应增加探伤检查，根据产品批量制定抽查样本数。