CN108535304B - 易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法 - Google Patents

易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法,包括:选取螺栓进行切割并获取具有受检面的检测试样，且对检测试样进行超声波清洗;采用扫描电镜对检测试样的受检面进行微观形貌观察,并界定出疲劳源区和扩展区；将检测试样垂直疲劳源区纵向剖开并磨制,制备具有纵向受检面的金相试样,并对金相试样的纵向受检面进行微观检测；采用透射电子显微镜对具有纵向受检面的金相试样进行能谱半定量分析,检测纵向受检面对应疲劳源区部分和检测试样基体部分是否集中分布非金属夹杂物；将金相试样采用硝酸酒精溶液浸蚀后进行疲劳源区的带状组织、贫碳检测和检测试样基体的带状组织检测;采用金相显微镜对该金相试样进行金相检测;疲劳断裂判定。

Description

易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法
技术领域
本发明涉及连接构件检测领域,特别涉及易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法,所述螺栓用于风力发电机上。
背景技术
42CrMo钢属于超高强度钢,由于该钢具有高强度和韧性,淬透性也较好,无明显的回火脆性,调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力,因此多用于强度更高和调质截面更大的锻件,如机车牵引用的大齿轮、压力容器后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹,也可用于2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具。而用于风力发电机的连接部件——螺栓，也常选用42CrMo钢加工生产制造。
但由于螺栓是风力发电机的连接部件,工作中承受剪切应力,当使用过程中表面出现裂纹源后,疲劳裂纹源正是依存这些微裂纹形核发展的,这些微裂纹随着所受应力的反复而逐渐跃进式发展,当疲劳裂纹扩展至一定程度,使零件的有效截面大为减少,以致不能承受逐渐增加的应力时,即行破断；因此，此类螺栓存在一定的使用寿命年限,因而对于在使用中的螺栓需要定期更换,但由于在加工生产过程中因加工条件的差异,使得螺栓的质量及使用寿命存在差异,因而造成在批量更换螺栓过程中,被更换下来的螺栓的使用寿命、塑性、韧性及疲劳极限皆不同,而将更换下来的螺栓全做报废处理,则造成材料及资源的浪费,而选择继续使用螺栓,又会存在螺栓断裂造成影响风力发电机的工作,并且还存在因螺栓断裂砸伤操作人员/工人的风险,对操作人员/工人的人生安全形成威胁。现有中,对于此类螺栓常常选用对使用中或被更换的螺栓进行抽样检测并对易产生疲劳断裂螺栓进行检测判断,从而期望通过检测和预判螺栓形成裂纹及裂纹扩展而断裂的时机,从而避免因螺栓断裂造成的影响发电机工作及对工人人生安全造成威胁的问题。
但现有中，相关技术中尚未提出解决上述问题的有效技术方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有设计技术中存在的缺陷,提供易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法,通过该检测方法,对使用中或更换的螺栓进行检测,并预判螺栓形成裂纹及疲劳断裂的时机,从而有效预防因螺栓断裂造成的损失。
根据本发明的第一方面，本发明提供一种技术方案如下：易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法,包括如下步骤：
步骤一 试样制备及清洗
从若干待检的螺栓中抽样选取出样本螺栓,并对选出的样本螺栓进行切割获取具有受检面的检测试样；
获取检测试样后,采用超声波清洗机对检测试样及受检面进行清洗并烘干；
其中,一样本螺栓获取至少一检测试样,检测试样从螺栓应力集中且易萌生裂纹源的区域进行切割,并且受检面为螺栓的截面；
步骤二 扫描电镜受检面观察
采用FEG-450型扫描电镜对检测试样的受检面进行微观形貌观察,并根据微观形貌观察结果界定出疲劳源区和扩展区；其中,
若微观形貌观察受检面区域存在若干孔洞和/或细小裂纹,则界定为疲劳源区；
若微观形貌观察受检面区域存在疲劳辉纹,则界定为扩展区；
步骤三 疲劳源区金相微观检测
将检测试样垂直步骤二中界定出的疲劳源区纵向剖开并磨制,制备具有纵向受检面的金相试样,采用金相显微镜对所述金相试样的纵向受检面进行微观检测；微观检测包括检测是否存在受检面疲劳源区向检测试样基体延伸扩展的细小裂纹、裂纹的深度和裂纹内是否存在非金属夹杂物；
步骤四.能谱分析采用透射电子显微镜对步骤三中制备的具有纵向受检面的金相试样进行能谱半定量分析,检测纵向受检面对应疲劳源区部分和检测试样基体部分是否集中分布非金属夹杂物；
步骤五.贫碳检测将完成步骤四的具有纵向受检面的金相试样采用4％～8％硝酸酒精溶液浸蚀后采用金相显微镜进行疲劳源区的带状组织检测与贫碳检测和进行检测试样基体的带状组织检测；
步骤六 检测试样基体金相检测清洗完成步骤五的金相试样并烘干,采用金相显微镜对烘干的金相试样进行金相检测,所述金相检测包括非金属夹杂物级检测、显微组织检测和晶粒度级别检测；
步骤七 疲劳断裂判定
在检测试样基体的显微组织为回火索氏体和贝氏体,且晶粒度级不大于8.5的情况下：
若干检测试样无从受检面的疲劳源区向基体延伸扩展的非金属夹杂物的裂纹及无贫碳，则检测试样及样本螺栓为无疲劳断裂螺栓；
若检测试样满足存在从受检面的疲劳源区向基体延伸扩展的非金属夹杂物的裂纹和存在贫碳现象,则检测试样及样本螺栓为弱疲劳强度螺栓；
若检测试样满足存在从受检面的疲劳源区向基体延伸扩展的非金属夹杂物的裂纹及贫碳现象、检测试样的带状组织的延展方向与裂纹扩展方向一致且检测试样基体集中分布非金属夹杂物,则检测试样及样本螺栓为易疲劳断裂螺栓。
作为对上述技术方案的进一步阐述：
在上述技术方案中,步骤五中，疲劳源区和检测试样基体的带状组织的检测还包括基于GB/T13299-1991评定带状组织级别评定,并根据带状组织级别与带状组织级别阀值大小判定检测试样及样本螺栓是否为易疲劳断裂螺栓。
进一步，所述带状组织级别阀值设定为2.5级,且若疲劳源区和检测试样基体的带状组织级别不小于所述带状组织级别阀值，则检测试样及样本螺栓为易疲劳断裂螺栓
在上述技术方案中,步骤六中,所述非金属夹杂物级检测、显微组织检测和晶粒度级别检测分别依据GB/T10561—2005、GB/T13298—1991和GB/T6394-2002进行检测。
在上述技术方案中,步骤三中对裂纹内是否存在非金属夹杂物包括：
步骤ⅰ.采用金相显微镜检测裂纹内是否存在灰色产物；
步骤ⅱ.采用透射电子显微镜对灰色产物进行能谱半定量分析，检测灰色产物是否为非金属夹杂物及对应何种非金属夹杂物。
在上述技术方案中,步骤六中对完成步骤五的金相试样进行清洗包括：
步骤ⅲ.将匹配的金相试样送入注入碱性清洗液的超声波清洗机中；
步骤ⅳ.使用超声波清洗机对匹配的金相试样清洗1～3min；
步骤ⅴ.将完成步骤ⅳ清洗的金相试样送入注入纯水清洗液的超声波清洗机中清洗1～3min,匹配完成清洗。
本发明的有益效果是:通过本发明的宏观金相检测方法,对使用中或更换的螺栓进行检测,并预判螺栓形成裂纹及疲劳断裂的时机,从而有效预防因螺栓断裂造成的损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明宏观金相检测的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“若干个”、“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。在本申请中,除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1
参考附图1，一种易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法,包括如下步骤：
步骤S01 试样制备及清洗
a.从若干待检的螺栓(螺栓型号为M30×435)中抽样选取出样本螺栓,并对选出的样本螺栓进行切割获取具有受检面的检测试样；通过从待检的螺栓中抽样选取样本螺栓，是期望通过样本螺栓中的易疲劳断裂螺栓的占比/期望来估算该批次的螺栓的疲劳断裂螺栓的总数，从而判断该批次螺栓是否可延长使用以及反馈指导意见给对应批次螺栓生产过程中因解决/注意的问题；
b.获取检测试样后,采用超声波清洗机对检测试样及受检面进行清洗并烘干,通过超声波清洗避免因杂质的引入而造成误测；
其中,一样本螺栓获取至少一检测试样,检测试样从螺栓应力集中且易萌生裂纹源的区域进行切割,并且受检面为螺栓的截面；需要说明的时,在本实施例中,为获取更多的比对数据，一样本螺栓在匹配区域切割两检测试样，而检测试样切割采样区域为间距螺栓端头30～33mm区间上,切取的检测试样的大小因以能被后续的金相制样镶嵌方法所镶嵌
步骤S02 扫描电镜受检面观察
采用FEG-450型扫描电镜对检测试样的受检面进行微观形貌观察,并根据微观形貌观察结果界定出疲劳源区和扩展区；其中,
若微观形貌观察受检面区域存在若干孔洞和/或细小裂纹,则界定为疲劳源区；
若微观形貌观察受检面区域存在疲劳辉纹,则界定为扩展区；
需要说明的时，在进行扫描电镜受检面观察之前，常常会对受检面进行宏观人眼外观观察，检测检测试样受检面和检测试样基体是否在外观上是否具有明显的疲劳特征、是否存在疲劳线；
步骤S03 疲劳源区金相微观检测
a.将检测试样垂直步骤S02中界定出的疲劳源区纵向剖开并磨制,制备具有纵向受检面的金相试样,需要说明的是,在金相试样采用现有中常规的金相试样制备方法制备
b.采用金相显微镜对所述金相试样的纵向受检面进行微观检测；微观检测包括检测是否存在有受检面疲劳源区向检测试样基体延伸扩展的细小裂纹、裂纹的深度(裂纹深度越深，则发生疲劳断裂的趋势越大)和裂纹内是否存在非金属夹杂物；
步骤S04.能谱分析
采用透射电子显微镜对步骤S03中制备的具有纵向受检面的金相试样进行能谱半定量分析,检测纵向受检面对应疲劳源区部分和检测试样基体部分是否集中分布非金属夹杂物(在实际中主要检测是否存在集中分布硫化物夹杂物,且集中分布的硫化物夹杂物是疲劳断裂诱发的主要原因,因螺栓在使用中会沿硫化物夹杂物形成微裂纹,若受检面及检测试样基体均存在硫化物夹杂物，则螺栓易产生微裂纹，也易断裂)；
步骤S05.贫碳检测
将完成步骤S04的具有纵向受检面的金相试样采用4％～8％硝酸酒精溶液(在本实施例中，优选4％硝酸酒精溶液)浸蚀后采用金相显微镜进行疲劳源区的带状组织检测与贫碳检测和进行检测试样基体的带状组织检测；在本实施例中,疲劳源区和检测试样基体的带状组织的检测还包括基于GB/T13299-1991评定带状组织级别评定,并根据带状组织级别与带状组织级别阀值大小判定检测试样及样本螺栓是否为易疲劳断裂螺栓,而所述带状组织级别阀值设定为2.5级,若疲劳源区和检测试样基体的带状组织级别不小于所述带状组织级别阀值，则检测试样及样本螺栓为易疲劳断裂螺栓；需要说明的是，带状组织是材料在冶炼或轧制过程中产生的偏析现象,带状组织的存在造成两种组织应力不同,为裂纹的扩展提供便利通道；而贫碳的存在降低螺栓表面硬度和疲劳强度,也是引起疲劳断裂诱因之一；
步骤S06 检测试样基体金相检测
清洗完成步骤S05的金相试样并烘干,采用金相显微镜对烘干的金相试样进行金相检测,所述金相检测包括非金属夹杂物级检测、显微组织检测和晶粒度级别检测；在本实施例中,所述非金属夹杂物级检测、显微组织检测和晶粒度级别检测分别依据GB/T10561—2005、GB/T13298—1991和GB/T6394-2002进行检测,也就是非金属夹杂物级、显微组织和晶粒度需要检测的参数及结果判定皆是基于匹配的国家标准进行的；
步骤S07 疲劳断裂判定
在检测试样基体的显微组织为回火索氏体和贝氏体,且晶粒度级不大于8.5的情况下：
若干检测试样无从受检面的疲劳源区向基体延伸扩展的非金属夹杂物的裂纹及无贫碳，则检测试样及样本螺栓为无疲劳断裂螺栓；
若检测试样满足存在从受检面的疲劳源区向基体延伸扩展的非金属夹杂物的裂纹和存在贫碳现象,则检测试样及样本螺栓为弱疲劳强度螺栓；
若检测试样满足存在从受检面的疲劳源区向基体延伸扩展的非金属夹杂物的裂纹及贫碳现象、检测试样的带状组织的延展方向与裂纹扩展方向一致且检测试样基体集中分布非金属夹杂物,则检测试样及样本螺栓为易疲劳断裂螺栓。
作为对上述实施例的进一步阐述,
在上述实施例中,步骤S03中对裂纹内是否存在非金属夹杂物包括：
步骤ⅰ.采用金相显微镜检测裂纹内是否存在灰色产物,实际中,会检测裂纹口和裂纹尾部是否存在灰色产物；
步骤ⅱ.采用透射电子显微镜对灰色产物进行能谱半定量分析，检测灰色产物是否为非金属夹杂物及对应何种非金属夹杂物,在实际中，对灰色产物进行能谱半定量分析是用于检测灰色产物是否存在和判断其是否是氧化物或硫化物夹杂物,同时，螺栓产生断裂是因为螺栓在使用中会沿硫化物夹杂物形成微裂纹,并在后续使用中沿夹杂进一步延伸扩展，当延伸扩展至一定程度,使螺栓的有效截面大为减少,以致不能承受逐渐增加的应力时,即行断裂。
在上述实施例中，步骤S06中对完成步骤S05的金相试样进行清洗包括：
步骤ⅲ.将匹配的金相试样送入注入碱性清洗液的超声波清洗机中；
步骤ⅳ.使用超声波清洗机对匹配的金相试样清洗1～3min；
步骤ⅴ.将完成步骤ⅳ清洗的金相试样送入注入纯水清洗液的超声波清洗机中清洗1～3min,匹配完成清洗。
通过本实施例的宏观金相检测方法,对使用中或更换的螺栓进行检测,并预判螺栓形成裂纹及疲劳断裂的时机,从而有效预防因螺栓断裂造成的损失,同时,基于该检测方法,从而判断螺栓断裂的主要原因，能有效的指导加工锻造螺栓过程中对螺栓材质的调质处理,从而提升加工螺栓的质量。需要说明的是,本实施例的金相检测方法不仅仅限于对螺栓进行检测预判，还可以用于P91无缝钢管、金属连接头及360芯棒等连接构件匹配检测。
以上的实施例只是在于说明而不是限制本发明，故凡依本发明专利申请范围所述的方法所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (6)

1.易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法,其特征在于，包括如下步骤：
步骤一 试样制备及清洗
从若干待检的螺栓中抽样选取出样本螺栓,并对选出的样本螺栓进行切割获取具有受检面的检测试样；
获取检测试样后,采用超声波清洗机对检测试样及受检面进行清洗并烘干；
其中,一样本螺栓获取至少一检测试样,检测试样从螺栓应力集中且易萌生裂纹源的区域进行切割,并且受检面为螺栓的截面；
步骤二 扫描电镜受检面观察
采用FEG-450型扫描电镜对检测试样的受检面进行微观形貌观察,并根据微观形貌观察结果界定出疲劳源区和扩展区；其中,
若微观形貌观察受检面区域存在若干孔洞和/或细小裂纹,则界定为疲劳源区；
若微观形貌观察受检面区域存在疲劳辉纹,则界定为扩展区；
步骤三 疲劳源区金相微观检测
将检测试样垂直步骤二中界定出的疲劳源区纵向剖开并磨制,制备具有纵向受检面的金相试样,采用金相显微镜对所述金相试样的纵向受检面进行微观检测；微观检测包括检测是否存在受检面疲劳源区向检测试样基体延伸扩展的细小裂纹、裂纹的深度和裂纹内是否存在非金属夹杂物；
步骤四.能谱分析采用透射电子显微镜对步骤三中制备的具有纵向受检面的金相试样进行能谱半定量分析,检测纵向受检面对应疲劳源区部分和检测试样基体部分是否集中分布非金属夹杂物；
步骤五.贫碳检测将完成步骤四的具有纵向受检面的金相试样采用4％～8％硝酸酒精溶液浸蚀后采用金相显微镜进行疲劳源区的带状组织检测与贫碳检测和进行检测试样基体的带状组织检测；
步骤六 检测试样基体金相检测清洗完成步骤五的金相试样并烘干,采用金相显微镜对烘干的金相试样进行金相检测,所述金相检测包括非金属夹杂物级检测、显微组织检测和晶粒度级别检测；
步骤七 疲劳断裂判定
在检测试样基体的显微组织为回火索氏体和贝氏体,且晶粒度级不大于8.5的情况下：
若干检测试样无从受检面的疲劳源区向基体延伸扩展的非金属夹杂物的裂纹及无贫碳，则检测试样及样本螺栓为无疲劳断裂螺栓；
若检测试样满足存在从受检面的疲劳源区向基体延伸扩展的非金属夹杂物的裂纹和存在贫碳现象,则检测试样及样本螺栓为弱疲劳强度螺栓；
若检测试样满足存在从受检面的疲劳源区向基体延伸扩展的非金属夹杂物的裂纹及贫碳现象、检测试样的带状组织的延展方向与裂纹扩展方向一致且检测试样基体集中分布非金属夹杂物,则检测试样及样本螺栓为易疲劳断裂螺栓。
2.根据权利要求1所述的易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法，其特征在于，步骤五中，疲劳源区和检测试样基体的带状组织的检测还包括基于GB/T13299-1991评定带状组织级别评定,并根据带状组织级别与带状组织级别阀值大小判定检测试样及样本螺栓是否为易疲劳断裂螺栓。
3.根据权利要求2所述的易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法,其特征在于,所述带状组织级别阀值设定为2.5级,且若疲劳源区和检测试样基体的带状组织级别不小于所述带状组织级别阀值，则检测试样及样本螺栓为易疲劳断裂螺栓。
4.根据权利要求1-3任一项所述的易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法,其特征在于,步骤六中,所述非金属夹杂物级检测、显微组织检测和晶粒度级别检测分别依据GB/T10561—2005、GB/T13298—1991和GB/T6394-2002进行检测。
5.根据权利要求4所述的易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法,其特征在于，步骤三中对裂纹内是否存在非金属夹杂物包括：
步骤ⅰ.采用金相显微镜检测裂纹内是否存在灰色产物；
步骤ⅱ.采用透射电子显微镜对灰色产物进行能谱半定量分析，检测灰色产物是否为非金属夹杂物及对应何种非金属夹杂物。
6.根据权利要求5所述的易疲劳断裂螺栓的宏观金相检测方法，其特征在于，步骤六中对完成步骤五的金相试样进行清洗包括：
步骤ⅲ.将匹配的金相试样送入注入碱性清洗液的超声波清洗机中；
步骤ⅳ.使用超声波清洗机对匹配的金相试样清洗1～3min；
步骤ⅴ.将完成步骤ⅳ清洗的金相试样送入注入纯水清洗液的超声波清洗机中清洗1～3min,匹配完成清洗。
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