利用线切割将 试 样 垂 直 于 轴 线 方 向 剖 开，将 其 截 面 及 表 面 打 磨 光 滑 ，利 用４５２ＳＶＤ数 显 维 氏 硬 度
张 君等：风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
图 ４ 螺 栓 心 部 显 微 组 织 Ｆｉｇ．４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｂｏｌｔ ｃｅｎｔｅｒ
０．００８
０．００５
０．９６５
０．１５８
０．０１４
０．００３
螺栓心部
０．３６９
０．２５１
０．５４２
０．００８
０．００４
０．９３９

０．１５５
０．０１３
０．００２
标准值 ０．３２～０．４０ ０．１７～０．３７ ０．４０～０．７０ ≤０．０３５
≤０．０３５ ０．８０～１．１０ ０．１５～０．２５ ≤０．０３０
２ 综 合 分 析
螺栓机械加工 完 毕 后，要 进 行 淬 火 和 高 温 回 火 处理，并期得到理 想 的 回 火 索 氏 体 组 织。 然 而 化 学 成 分 分 析 结 果 显 示，螺 栓 表 面 的 碳 含 量 仅 为 ０．００９％ ，远 远 低 于 标 准 值 （０．３２％ ～０．４０％ ）和 心 部 的碳含量 ０．３６９％。 由 金 相 检 验 结 果 也 可 知，螺 栓 心部显微组织为细 小 的 回 火 索 氏 体，螺 栓 表 层 则 为 铁 素 体 ；说 明 螺 纹 表 面 发 生 了 全 脱 碳 ，且 脱 碳 层 深 度 较大。显微硬度测 试 结 果 显 示，螺 栓 表 面 硬 度 约 为 １３０ ＨＶ，心部 硬 度 约 为 ３７０ ＨＶ，进 一 步 证 明 螺 栓 表面发生了严重 的 脱 碳。 该 螺 栓 经 过 了 淬 火、高 温 回 火 处 理 ，在 淬 火 加 热 保 温 过 程 中 ，热 处 理 炉 内 碳 浓 度 过 低 ，导 致 零 件 表 面 脱 碳 ，待 整 个 试 样 完 全 奥 氏 体 化 后 ，表 面 形 成 了 超 低 碳 的 奥 氏 体 ，在 淬 火 冷 却 过 程 中 ，螺 栓 心 部 转 变 为 马 氏 体 ，而 螺 栓 表 面 则 转 变 为 铁 素体。在随后的高 温 回 火 过 程 中，马 氏 体 中 析 出 弥 散 细 小 的 碳 化 物 ，螺 栓 心 部 组 织 转 变 为 回 火 索 氏 体 ， 具有良 好 的 综 合 力 学 性 能，而 螺 栓 表 面 仍 然 为 铁 素 体［３－４］。 一 般 来 说 ，螺 栓 螺 纹 根 部 是 应 力 集 中 部 位 ，该 螺 栓表面脱碳，导致了 螺 纹 表 面 硬 度 和 强 度 的 大 大 降 低 。 另 外 螺 栓 在 安 装 时 ，预 紧 力 不 均 匀 ，导 致 受 力 较 大的螺栓在服役过程中风力和风叶转动产生的循环 冲击载荷作用下，于 螺 纹 根 部 出 现 裂 纹 并 疲 劳 扩 展 直至断裂 。 ［５］
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型高度，Ｈ１ ＝１．５ ｍｍ），螺 纹 牙 底 存 在 ０．０５３ ｍｍ 的全脱碳层。根 据 ＧＢ／Ｔ ３０９８．１－２０００《紧 固 件 机 械性 能 螺 栓、螺 钉 和 螺 柱 》的 要 求，Ｇ 的 最 大 值 为 ０．０１５ｍｍ，Ｅ 的 最小高度为２／３ Ｈ１，即１．０ｍｍ。可 见该两项指标均不满足标准技术要求。 １．５ 硬 度 试 验
图 ５ 牙 根 显 微 组 织 Ｆｉｇ．５ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｔｈｒｅａｄ ｒｏｏｔ
图 ６ 牙 尖 显 微 组 织 Ｆｉｇ．６ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｔｈｒｅａｄ ｃｕｓｐ
计 在 螺 栓 表 面 及 其 心 部 各 测 试 ３ 点 硬 度 ，结 果 如 下 ： 表 面 为 １３５，１２８，１３０ ＨＶ１０；心 部 为 ３７７，３８０， ３６５ ＨＶ１０。可见螺栓表面硬度明显低于心部硬度， 与螺栓表面存在明显的脱碳相吻合。
≤０．０３０
（ａ） 裂 纹 源
（ｂ） 裂 纹 扩 展 区
（ｃ） 瞬 断 区
图 ３ 螺 栓 断 口 扫 描 电 镜 形 貌
Ｆｉｇ．３ ＳＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ
（ａ） Ｃｒａｃｋ ｓｏｕｒｃｅ （ｂ） Ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ （ｃ） Ｆａｓｔ ｆｒａｃｔｕｒｅ ａｒｅａ
典 型 的 疲 劳 断 裂 特 征 ，且 有 两 个 裂 纹 源 ，疲 劳 裂 纹 扩 展区约占整个断口的８０％，瞬 断区 约 占 整 个 断 口 的 ２０％ 。 由 螺 栓 断 口 宏 观 形 貌 可 以 断 定 其 为 双 向 疲 劳 断 裂［１］。 １．２ 化 学 成 分 分 析
在 断裂螺栓上取 样 ，分 别 对 螺 栓 表 面 及 心 部 位
１ 理 化 检 验
１．１ 宏 观 检 验 图１为其中一 根 断 裂 螺 栓 的 宏 观 形 貌，可 见 断
裂位于有螺纹的部 位，螺 栓 螺 纹 根 部 恰 好 是 应 力 集 中位置。 图２是螺栓断 口 宏 观 形 貌，发 现 断 裂 部 位 正 好 处 于 螺 纹 牙 根 位 置 ，断 口 上 存 在 明 显 的 贝 纹 线 ，呈 现
ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ，ＷＥＮ Ｂａｏ－ｆｅｎｇ，ＺＨＡＯ Ｊｉａｎｇ－ｔａｏ，ＳＨＩ Ｗｅｉ （Ｌａｎｓｈｉ Ｔｅｓｔ Ｃｅｎｔｅｒ，ＬＳ Ｇｒｏｕｐ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａ ｒｏｕｔｉｎｇ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐａｎｙ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆａｓｔｅｎｉｎｇ ｂｏｌｔｓ ｓｅｒｖｉｃｉｎｇ ｆｏｒ ４ｙｅａｒｓ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｏｌｔ；ｆａｔｉｇｕｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ；ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ；ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
某电力公司在对风力发电机进行检修的过程中 发现，风机塔筒架底 部 起 固 定 作 用 的 个 别 螺 栓 出 现 了断裂现象。风力发电机塔筒底部连接法兰与风机 基 础 ，一 台 风 力 发 电 机 塔 筒 底 座 法 兰 共 由 ４８ 根 螺 栓 均匀分布连接，检修 时 发 现 在 一 个 方 位 相 邻 的 ３ 根 螺 栓 都 发 生 了 断 裂 ，且 都 断 裂 于 螺 纹 部 位 ，如 图 １ 所 示 。 该 批 螺 栓 已 使 用 了 ４ａ（年 ），由 同 一 家 供 货 商 提 供，螺栓材料为３５ＣｒＭｏ钢，螺 纹 规 格 Ｍ２０，性 能 等 级 １０．９ 级 。 为 查 明 该 螺 栓 断 裂 原 因 ，以 便 采 取 措 施 避免类似失效的再 次 发 生，笔 者 对 其 进 行 了 检 验 和 分析。
张 君等：风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
置进行化学 成 分 分 析，结 果 见 表 １。 可 见 螺 栓 表 面 碳含量仅为 ０．００９％，明 显 低 于 ＧＢ／Ｔ ３０７７－１９９９ 对３５ＣｒＭｏ钢碳含量 的 技 术 要 求；而 螺 栓 心 部 各 元 素含量均在标准要求范围之内。
图 ２ 螺 栓 断 口 宏 观 形 貌 Ｆｉｇ．２ Ｍａｃｒｏ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ
１．３ 断 口 微 观 检 验 将螺栓断口清洗后使用扫描电镜进行观察。由
图 ３ 可 见 ，图 ２ 中 两 个 裂 纹 源 区 断 口 形 貌 相 似 ，该 两 个区域靠近 螺 栓 表 面，位 于 牙 根，牙 根 曲 率 半 径 最 小 ，是 应 力 集 中 部 位 ，因 而 容 易 形 成 裂 纹 。 且 该 区 域 贝纹线相对于疲劳 扩 展 区 更 为 密 集 光 亮，可 以 断 定
关 键 词 ：高 强 度 螺 栓 ；疲 劳 断 裂 ；脱 碳 ；调 质 处 理
中 图 分 类 号 ：ＴＧ１１５；ＴＧ１４２．１ 文 献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１－４０１２（２０１４）１２－０９３３－０３
Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｂｏｌｔｓ ｆｏｒ Ｆａｓｔｅｎｉｎｇ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ
收 稿 日 期 ：２０１４－０５－１４ 作者简介：张 君（１９８３－），男，工程师，学士。 通 讯 作 者 ：温 宝 峰 （１９８６－ ），男 ，工 程 师 ，硕 士 。
图 １ 断 裂 螺 栓 宏 观 形 貌
Ｆｉｇ．１ Ｍａｃｒｏ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｂｏｌｔ · ９３３ ·
风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
张 君 ，温 宝 峰 ，赵 江 涛 ，史 伟
（兰石集团 兰石测试中心，兰州 ７３００５０）
摘 要：某电力公司风力发电机塔筒底座紧固用高强螺栓使用 ４ａ（年）后，在 进 行 检 修 时 发 现 个 别 断 裂 现 象 。 通 过 对 螺 栓 断 口 进 行 宏 观 检 验 以 及 扫 描 电 镜 分 析 ，并 对 螺 栓 材 料 进 行 化 学 成 分 分 析 、 金相检验以及硬度测试，查明了螺栓断裂原因。结果表明：该螺 栓 断 裂 属 于 低 应 力 高 周 疲 劳 断 裂， 螺 栓 在 调 质 处 理 过 程 中 发 生 严 重 的 表 面 脱 碳 ，导 致 螺 栓 表 面 硬 度 和 强 度 降 低 ，于 是 在 应 力 集 中 的 螺 纹 根 部 萌 生 裂 纹 ，并 疲 劳 扩 展 直 至 断 裂 。
表 １ 螺 栓 表 面 、心 部 化 学 成 分 （质 量 分 数 ）
Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ（ｍａｓｓ）
％
位置
Ｃ
Ｓｉ
Ｍｎ
Ｐ
Ｓ
Ｃｒ
Ｍｏ
Ｃｕ
Ｎｉ
螺栓表面
０．００９
０．２６６
０．５５７