风电叶片双头螺栓断裂原因分析

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1、记录号：JS-AL-紧固件－079风电叶片双头螺栓断裂原因分析摘要：送检试样为紧固风电叶片的断裂双头螺栓，机械性能为10.9级，热处理硬度：HRC32~39，抗拉强度≥1040MPa，屈服强度≥940MPa，螺栓表面经达克罗处理，耐酸雾试验1000小时无红锈。通过材料化学分析、断口微观分析、金相分析和硬度检测，结果表明，螺栓是在Cl、S腐蚀性介质环境和工中国应急分析网作交变应力共同作用下形成的多源腐蚀疲劳断裂。因此表面防腐层不够致密或使用过程中受弯拉应力作用使涂层遭到破坏导致螺栓接触外部S、Cl腐蚀性介质水环境是导致螺栓发生腐蚀疲劳开裂的环境因素。关键词：双头

2、螺栓；风电叶片；腐蚀疲劳断裂;氯；硫材料种类/牌号：合金结构钢/42CrMo概述送检试样为紧固风电叶片的断裂双头螺栓，机械性能为10.9级，热处理硬度：HRC32~39，抗拉强度≥1040MPa，屈服强度≥940MPa，螺栓表面经达克罗处理，耐酸雾试验1000小时无红锈。对该螺栓断裂的原因进行了分析。测试过程与结果材料化学分析从送检螺栓上取样进行材料化学成分分析，结果见表1，可以看出，材料中各元素的化学成分都符合42CrMo钢的要求。表1.材料化学成分分析结果及标准规定对照（Wt%）CSiMnPS螺栓0.390.240.720.010.00242CrMo0.3

3、8-0.450.17-0.370.5-0.8≤0.035≤0.035CrNiCuMo-螺栓0.960.0410.0540.17-42CrMo0.9~1.2≤0.30≤0.300.15-0.25-宏观分析送检螺栓的宏观断口形貌如图1所示，肉眼观察，断面有放射状花样和弧线状疲劳扩展停止线，呈现出疲劳断口的低倍形态特征。根据疲劳扩展弧线可以判断裂纹源，断口起裂于断面右侧加工螺纹根部表面的线性区域，扩展方向如图中箭头所指，由表面向内疲劳扩展。起裂区局部有严重的磨损损伤，可以看出这些损伤应该是断后造成的。裂纹源区没有明显塑性变形，属于低应力断裂。前期断口锈蚀严重，断面基

4、本垂直轴向。断裂面较平坦，只在扩展后期较窄的区域范围起伏略大，如图所示断面右侧为最后的瞬断区。1中国应急分析网裂纹源区磨损严重图1螺栓宏观断口形貌断口微观分析螺栓微观断口形貌如图2所示，断口总体较为平坦，断口起裂区磨损严重，并有明显的腐蚀特征，SEM-EDX微区成分分析表明，除基体元素外，腐蚀产物中还含有S、Cl腐蚀性介质元素和O、Ca、C、Zn、Mg等元素。扩展区以沿晶腐蚀疲劳断口为主，晶粒界面有较为明显的疲劳条纹和小腐蚀坑。断口自裂纹源沿晶腐蚀疲劳扩展约8.8mm后，开始以穿晶疲劳扩展为主，疲劳条纹之间可观察到韧窝断裂形态，显示出裂纹沿晶腐蚀疲劳扩展至一定

5、长度后，转变为快速扩展的穿晶疲劳扩展。螺栓后断区为斜断口，微观下为韧窝断口。从疲劳断口微观特征和宏观走向看，螺栓是在S、Cl腐蚀性介质环境和工作交变应力共同作用下形成的多源腐蚀疲劳断裂。2中国应急分析网3中国应急分析网裂纹先沿晶后穿晶疲劳扩展4中国应急分析网图2微观断口分析图3是断裂起始侧的表面形貌。螺纹根部虽断后受到损伤，但仍可以观察到有很多平行于断面的微裂纹，呈闭合状，具有疲劳裂纹的特征。SEM-EDX成分分析表明，除Zn、Al、Cr、O等主要达克罗防腐涂层成分外，还有腐蚀性介质元素Cl。5中国应急分析网图3螺纹表面微裂纹分析金相分析和硬度检测在螺栓上制取

6、纵截面剖面金相，观察非金属夹杂物和组织形态，如图4。从夹杂物形态上看，以链状氧化物夹杂为主，依据标准GB/T10561对两试样的非金属夹杂物进行评级，结果参见表2。6中国应急分析网防腐层化学成分（表面涂层2.6μm左右）图4螺栓金相组织分析螺纹根部为平行表面的滚压变形强化的流变组织，表面未见明显脱碳；螺纹尖端都存在沿变形组织的滚压形成的微裂纹。螺纹表面经达克罗防腐处理，但防腐层与基体粘附不牢，有空隙。螺栓基体组织为回火索氏体组织。在金相试样上分别测试螺纹表面到基体的显微维氏硬度，结果参见表3，表面硬度受滚压变形的影响，硬度值略高于基体，螺纹表面未有明显脱碳。在

7、螺栓1/2半径处进行洛氏硬度试验，结果如表4所示，平均硬度为39.7HRC，略高于材料热处理硬度范围的上限要求（39HRC）。根据标准GB/T1192-99将洛氏硬度折算成抗拉强度，约为1211MPa，符合螺栓设计的强度要求（材料抗拉强度≥1040MPa）。7表2.夹杂物检验结果（级）ABCDDs粗细粗细粗细粗细螺栓---2---1-表3.硬度检验结果（HV0.2）距螺纹根部表层距离（μm）501502504501/2半径中国应急分析网螺纹根部区477442417371373383表4.洛氏硬度检验结果试样1234平均值螺栓1/2半径处39.139.240.2

8、40.439.7结论通过对螺栓的宏观和