某一體化污水處理設(shè)備拉桿螺栓的失效分析

張 帥

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004；2.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧530004）

1 研究背景

由于一體化污水設(shè)備具有占地面積小、處理負(fù)荷大、分散性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，城鎮(zhèn)及農(nóng)村區(qū)域足部開(kāi)始選擇符合當(dāng)?shù)匚鬯幚砬闆r的一體化污水處理設(shè)備，因此一體化污水處理設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用[1]。但是污水總存在大量腐蝕性物質(zhì)，使得污水處理設(shè)備的構(gòu)件容易發(fā)生失效，常見(jiàn)的斷裂失效分為韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂以及蠕變斷裂等[2]。某一體化污水處理設(shè)備拉桿螺栓突發(fā)斷裂事故，導(dǎo)致處理設(shè)備不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，大量污水囤積，使得設(shè)備壓力過(guò)大，如不能及時(shí)處理將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的整體損壞。圖1、圖2分別為一體化污水處理設(shè)備外觀圖和拉桿螺栓斷裂后的外觀圖。為判斷斷裂原因，從螺栓的斷口宏觀及微觀形貌、金相組織和化學(xué)成分等方面進(jìn)行了綜合分析。

圖1 出廠前設(shè)備圖

圖2 螺栓斷裂后設(shè)備圖

2 理化檢驗(yàn)與分析

理化檢驗(yàn)與分析首先從宏觀方面對(duì)斷口的形貌進(jìn)行了分析，然后利用掃描電鏡對(duì)經(jīng)過(guò)超聲清洗過(guò)的斷口進(jìn)行觀察。此外利用電子顯微鏡觀察了試樣的表面，確認(rèn)試樣表面的金相組織符合奧氏體不銹鋼顯微金相圖后，使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)試樣進(jìn)行金相分析，觀察并拍攝試樣的金相顯微組織。最后用帶有能譜Phenom ProX的掃描電子顯微鏡對(duì)試樣表面進(jìn)行了成分分析，在試樣表面選取多個(gè)點(diǎn)后總結(jié)了各點(diǎn)的化學(xué)成分質(zhì)量占比，同時(shí)對(duì)材料中各元素含量進(jìn)行了分析。

2.1 宏觀斷口分析

分析斷口的宏觀形貌作為宏觀檢查的一部分，可以初步分析金屬斷裂的全過(guò)程，還可以通過(guò)將該構(gòu)件斷口的宏觀形貌與各失效形式的斷口宏觀形貌進(jìn)行對(duì)比，在深入分析斷口的明顯特征后，初步判斷該構(gòu)件的失效形式。斷口的宏觀分析為斷口的金相組織分析奠定了基礎(chǔ)，是材料失效分析中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

對(duì)ACM生物反應(yīng)器中失效的螺栓斷口形貌進(jìn)行了采集，如圖3所示，螺栓斷口的表面呈現(xiàn)出暗灰色，出現(xiàn)人字形山脊?fàn)罨y，且在斷口邊緣處存在光滑的剪切唇，從整體上看其塑性變形明顯，初步判斷圖3中螺栓的失效形式屬于韌性斷裂。從圖4中的螺栓斷口形貌中不難發(fā)現(xiàn)，斷口表面上存在形似“海灘”的海灘條帶以及部分區(qū)域較為粗糙的瞬時(shí)斷裂區(qū)，整體上未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形，因此可以初步得出圖4中螺栓斷裂的方式是疲勞斷裂。因此，可初步判斷ACM生物反應(yīng)器斷裂螺栓的失效形式為韌性斷裂和疲勞斷裂。

圖3 1號(hào)螺栓斷裂斷口圖

圖42 號(hào)螺栓斷裂斷口圖

2.2 微觀斷口分析

微觀斷口分析指的是通過(guò)各類(lèi)顯微鏡如金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡等放大倍數(shù)較高的精密儀器來(lái)觀察斷口的微觀形態(tài)、研究斷裂過(guò)程以及各種與斷裂有關(guān)的信息[3]，從而分析出斷裂失效的主要原因繼而提出改善措施。

將加工后的螺栓斷口放入充滿酒精的超聲清洗儀中進(jìn)行清洗，清洗完成后使用吹風(fēng)機(jī)吹干，再將烘干的螺栓斷口置于掃描電子顯微鏡下，螺栓斷口的微觀形貌圖如圖5及圖6所示。

圖5 第一位置螺栓斷口微觀形貌圖

圖6 第二位置螺栓斷口微觀形貌圖

圖5 及圖6分別為斷口表面上兩個(gè)不同位置的微觀形貌圖。圖5中的斷口微觀形貌顏色較灰暗，無(wú)明顯韌窩，比較符合沿晶脆性斷裂的特征；圖6中的微觀形貌由一系列解理面構(gòu)成，其中存在明顯的河流花樣，比較符合解理斷裂方式斷口的微觀形貌特征。因此，可初步判斷ACM生物反應(yīng)器的螺栓斷口屬于解理和微坑的混合斷口。

2.3 化學(xué)成分

化學(xué)成分通過(guò)能譜儀進(jìn)行測(cè)定，能譜儀是利用探測(cè)器接收具有不同能量的X光量子后發(fā)出脈沖訊號(hào)，放大器將訊號(hào)適當(dāng)放大并整形后傳送到具有多道脈沖的分析器，最后顯像管呈現(xiàn)出脈沖數(shù)-脈沖高度曲線。本次實(shí)驗(yàn)選用帶有能譜的Phenom ProX的掃描電子顯微鏡對(duì)試樣表面進(jìn)行成分分析，在試樣表面選取多個(gè)點(diǎn)后，總結(jié)各點(diǎn)的化學(xué)成分質(zhì)量占比，分析比較材料中各元素含量，如表1所示。

表1 材料中各元素含量表

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，材料中 Fe、Cr、Ni、Mn 等主要元素基本符合JB/T 4707—2000及GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)304不銹鋼元素成分要求[4]，但S、C、P等雜質(zhì)元素超出標(biāo)準(zhǔn)值[5-7]。在金屬材料中，硫磷含量是一項(xiàng)重要指標(biāo)，硫在鋼中與鐵生成硫化亞鐵后與鐵生成共晶體，易導(dǎo)致鋼材開(kāi)裂，磷也是有害雜質(zhì)，其部分溶解在鐵素體中形成固溶體，大大降低了材料的塑性和韌性，因此，可判斷出該螺栓所用材料中雜質(zhì)含量較高，使得材料的塑性和韌性較差，在加工和運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中易發(fā)生斷裂失效。

2.4 金相組織

通過(guò)電子顯微鏡來(lái)觀察試樣的表面，在確認(rèn)試樣表面的金相組織符合奧氏體不銹鋼顯微金相圖后，需要使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)試樣進(jìn)行金相分析，觀察并拍攝試樣的金相顯微組織。

用型號(hào)為Phenom ProX的掃描電子顯微鏡對(duì)試樣的顯微組織形貌進(jìn)行觀察分析。試樣1500倍和3000倍下的顯微組織圖像分別如圖7及圖8所示。

圖7 試樣1500倍下的顯微組織圖像

圖8 試樣3000倍下的顯微組織圖像

根據(jù)晶粒尺度的測(cè)定和評(píng)級(jí)方法，用比較法測(cè)定奧氏體晶粒度[8]。與標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼晶粒等級(jí)相比，該試樣的晶粒等級(jí)較高，造成晶界面積減小，晶粒大小分布不均勻。因此可以判斷該螺栓材料的機(jī)械性能和工藝性能較差，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中易發(fā)生斷裂失效。

3 分析與討論

螺栓斷口表面呈現(xiàn)出兩種不同的宏觀形貌，一部分?jǐn)嗫诘暮暧^形貌符合韌性斷裂的典型特征。在實(shí)際工程中，韌性斷裂通常由超載導(dǎo)致，即構(gòu)件危險(xiǎn)截面處所承受的實(shí)際應(yīng)力超出材料的屈服極限。隨著工作時(shí)間的增加，ACM生物反應(yīng)器所堆積的淤泥逐漸增多，從而加大了螺栓處所受應(yīng)力，導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂失效。另一部分?jǐn)嗫诒砻嫔洗嬖谛嗡啤昂钡暮l帶以及部分區(qū)域較為粗糙的瞬時(shí)斷裂區(qū)，整體上未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形，初步判斷螺栓的斷裂方式屬于疲勞斷裂。材料內(nèi)部的微孔、表面劃傷、裂紋等共同作用，形成疲勞源，在疲勞載荷的作用下逐步發(fā)展，同時(shí)螺栓材料內(nèi)部缺陷在外力載荷下誘發(fā)內(nèi)部裂紋，這加速了螺栓疲勞裂紋的擴(kuò)展速率，也加快了螺栓斷裂失效的進(jìn)程。

根據(jù)螺栓斷口的微觀形貌，可以判斷螺栓斷口是解理和微坑的混合斷口，主要由材料中的雜質(zhì)過(guò)多、晶粒粗大等因素所導(dǎo)致。對(duì)螺栓材料進(jìn)行金相組織分析后，不難發(fā)現(xiàn)該螺栓材料的晶粒粗大，材料內(nèi)部存在較多孔洞，可以判斷該螺栓材料的機(jī)械性能和工藝性能較差，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中易發(fā)生斷裂失效。同時(shí)通過(guò)對(duì)螺栓材料的化學(xué)成分分析可知，材料中所含雜質(zhì)元素含量較高，因此導(dǎo)致材料的塑性和韌性較差。

4 結(jié)論

綜上分析得出以下結(jié)論：

（1）失效螺栓的化學(xué)成分中雜質(zhì)元素較高使得材料塑性及韌性較差。

（2）金相組織中發(fā)現(xiàn)螺栓材料晶粒粗大且內(nèi)部存在較多孔洞，該螺栓材料的機(jī)械性能和工藝性能較差，易發(fā)生斷裂失效。

（3）從斷口的宏觀及微觀樣貌分析，螺栓失效的形式是先有超載導(dǎo)致斷口的一部分發(fā)生韌性斷裂，由于材料晶粒較大及雜質(zhì)較多，使得斷口的其余部分直接瞬時(shí)斷裂。