42CrMoA高强连接螺栓材料与断裂特征

段焱森，何建军，程庆阳，蒲 珉，舒忠虎，张世浩，罗光武

(1.国家能源集团龙源江永风力发电有限公司，长沙 410000；2.长沙理工大学 能源与动力工程学院，长沙 410114；3.西安中科启航测控技术有限公司，西安712000)

近年来，随着大容量风电装机的快速增长，风电机组的运行安全是风电技术研究的重要热点问题。叶片与轮毂连接的高强螺栓是风力机组的重要连接部件，在风机在长时间运转过程中的往复震动会承受复杂的交替变化载荷[1]，在交变载荷下容易发生疲劳损伤。风力机叶片结构复杂性和运行波动性导致载荷复杂交变，叶片的震动以及运转也会使得作用于螺栓表面力的作用点和方向是随时多变的，长时间交变载荷造成高频疲劳损伤。服役期间的螺栓发生疲劳损伤早期没有明显的宏观塑性变形[2]，难以通过外部检测发现，然而，疲劳损伤累积导致的突然断裂，可能导致严重的事故和巨大的经济损失[3-4]。因此，开展螺栓的高频疲劳损伤行为研究具有重要的工程应用价值。

由于风力发电的波动性，风机叶片高强连接螺栓在周期性运转过程中的载荷十分复杂。当前的螺栓断裂分析研究主要是事后分析，包括螺栓预紧力、装配方法、放松措施等现场工艺因素[5-6]，以及从断口分析、理化检验等材质因素[7-10]，这些研究主要集中在螺栓断裂后断面断裂特征和螺栓载荷模型等方面，采用的数据一般来自风机运行数据和整机参数，缺乏针对螺栓的疲劳实验设计；现场的断裂分析研究难以涉及螺栓的疲劳损伤过程和材料组织结构演变特征，缺乏螺栓材料进行疲劳实验数据的对比支撑，难以准确反映螺栓在运行过程中的损伤过程和损伤机制。

特定条件下的疲劳实验是研究螺栓损伤行为的重要方法[11]，Yilmaz等[12]分析了高强度钢螺栓连接在典型疲劳加载模式下的疲劳性能。Poovakaud等[13]通过开发的简单模型，研究了高强度连接螺栓中接触表面的疲劳损伤机制。Yang等[14-15]进行了恒定振幅疲劳试验，研究了在不同应力范围下网架螺栓球中M22高强度螺栓的疲劳破坏特性。该些研究主要谈论在某种特定实验参数下的螺栓疲劳，而螺栓在实际工况载荷模式下的疲劳响应，需要通过设定不同载荷条件的高频疲劳试验来反映[16]。结合风机叶片螺栓运行工况和交变载荷特点，开展对高强螺栓材料的高频疲劳试验，综合研究不同加载条件下螺栓材料的疲劳性能及断裂特征，研究结果对揭示风机螺栓损伤失效机制、高性能螺栓制备、以及风电场安全运行具有一定的理论意义和工程应用价值。

1 实验材料与方案

1.1 实验材料

实验材料选某风电场2 MW风机叶片所用的全新高强度连接螺栓，如图1所示。螺栓直径Φ36 mm(M36)，性能等级10.9级，材料为42CrMoA钢。

对螺栓取样进行成分分析，检验结果如表1所示，螺栓中成分均符合GB/T 3077—1999标准要求。

表1 螺栓材料的化学成分

1.2 实验方法

1.2.1 试样制备

根据JJG 556—2011《轴向加荷疲劳试验机》标准进行试样制备，试验采用PLG-50高频疲劳试验机，按照图2标准将螺栓材料加工成标准高频实验试样。试样等截面试验段长度25 mm，试验段直径5 mm。

图2 高频疲劳试样加工图

1.2.2 实验方案

实验选择使用PLG-50高频疲劳试验机，在对试样进行疲劳试验的同时，试验机的激振器会在试验过程中产生震动，用来模拟风机叶根部螺栓在实际运行时的受力特性。根据螺栓样品的机械性能以及试验机的施加负荷范围，确定4种不同载荷应力水平开展进行疲劳测试。1#～4#组实验中施加振幅设定为2 kN，施加平均负荷依次为10.71、12.71、14.71、16.71 kN。此外添加5#组试验与1#组试验进行对比，在相同最大负载条件下(与1#试样最大载荷相同)，5#试样施加平均负荷为7.71 kN，施加振幅5 kN，研究振幅对试样疲劳损伤的影响。在75 Hz频率的恒定振幅正弦负载下测试试样，在疲劳测试过程中将其保持在弹性状态。

2 实验结果与分析

2.1 高频疲劳试验结果

2.1.1 不同载荷下试样高频疲劳试验结果

不同载荷下疲劳试验结果如表2所示。

表2 不同载荷下试样高频疲劳试验结果

疲劳强度与疲劳寿命之间的关系通常由应力-疲劳寿命(S-N)曲线描述。以平均加载应力为参数,S-N的经验方程幂函数形式的曲线为

N(ΔσAVG)m=C

(1)

式(1)中：ΔσAVG为所施加平均负荷产生的应力；C和m为不确定的参数，可以从疲劳测试数据获得。对数形式的S-N曲线表达式为

lgN=-mlg(ΔσAVG)+lgC

(2)

通过以ΔσAVG为参数疲劳试验数据的回归分析，42CrMoA高强度螺栓材料的对数形式疲劳S-N曲线如图3所示。

图3 以lgσAVG为参数的对数回归曲线

可以看出，相关系数R=0.95，说明所有的测试数据均具有良好的拟合度，并符合施加的平均应力越低，疲劳时间越长的趋势。另外，通过计算疲劳试验数据的标准偏差，可以得出42CrMoA高强度螺栓材料的对数形式S-N曲线方程为

lgN=26.265-6.987lg(ΔσAVG)

(3)

2.1.2 不同振幅下试样高频疲劳试验结果

不同振幅下疲劳试验结果如表3所示。

表3 不同振幅的高频疲劳试验结果

2.2 螺栓材料的断裂特征

2.2.1 不同载荷下的材料断裂特征分析

试样的疲劳破坏发生在均匀试验段的起始端，如图4所示。断口呈现两种不同形貌。可以初步看出，3#试样断口呈现典型疲劳形貌，有较为明显的分区。从4#试样断口处可看到断口处材料颈缩明显，断口呈杯锥状且不平整，疲劳分区不明显。

图4 试样断裂位置及断口外观图

断裂试样断裂面形貌的扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)照片如图5、图6所示。裂纹萌生通常发生在试样根部的表面，由图5(a)可知，裂纹起源于三个不同的疲劳源区，不同区域的裂纹扩展相遇后形成峰，峰线交汇于疲劳瞬断区起始位置。在图5(a)中A位置放大观察，如图5(b)所示，疲劳源区相对较光滑且呈深色，沿箭头方向向试样内部衍生出类似海滩的痕迹。在B位置放大观察后发现，如图5(c)中所示，裂纹大致平行，朝二次裂纹的相同方向(箭头方向)延伸，并垂直于裂纹扩展方向。随着裂纹的扩展，由于材料的破坏，试样的有效承载面积减小，残余部分的应力逐渐增加，导致试样突然断裂，在试样表面产生瞬断区，如图5(d)所示。在此区域内出现疲劳条纹和凹痕的混合形态，并且相对粗糙，包含粗颗粒以及大量凹坑。

图5 3# 试样断面SEM分析

图6(a)中，试样断面呈杯锥状且不平整，表现为多点起裂的撕裂断口，观察到断口中出现有塑性变形的孔洞，如图6(b)中虚线所示。放大倍数观察到撕裂裂口内存在片状及条状组织结构，且裂口附近组织出现较多微孔，如图6(c)中所示。在图6(d)中发现靠近试样表面部分材料组织表面存在絮状条纹，呈海滩迹象向试样内部延伸，分析为疲劳裂纹，但观察不到明显的疲劳分区，造成这一现象是由于材料承载载荷过大，疲劳行为还未来得及进一步扩展，材料组织在处于双向应力作用下，在夹杂物或第二相粒子周围的位错环发生堆积，并在沉淀相、夹杂物与金属界面处分离，造成撕裂裂口导致试样断裂，与4#试样的断口宏观形貌特征相符。

图6 4#试样断面SEM分析

2.2.2 不同振幅下的材料断裂特征分析

可以看出，在增大振幅后，试样疲劳寿命明显减低，观察5#试样断口，如图7(a)所示。试样为疲劳断裂，可以观察到断面疲劳源区、裂纹扩展区及瞬断区分界明显。对试样断面进行SEM如图7(b)所示，断裂面都存在两个疲劳源(A区)。初始裂纹起源于螺纹的根部表面，然后沿箭头方向向试样内部延伸。裂纹扩展区(B区)相对平坦且光滑，并且可以观察到较亮的颜色和壳状线。在从延伸区到当前断裂区的过渡处，断裂面开始变得粗糙。在瞬时断裂区域(C区)中，断裂表面粗糙且呈不规则晶体形状，裂纹扩展减小了试样的有效承载面积，从而导致剩余截面上的应力逐渐增加，由于残余部分不足以抵抗由外部载荷引起的应力，因此样品出现了最终的瞬时断裂。将5#试样疲劳断面与图5(a)中的3#试样疲劳断面进行对比，可以发现，5#试样中的断面裂纹扩展区和瞬断区的面积比较为更大，说明较高的振幅会导致裂纹扩展区域的面积变小，瞬断区的面积会成比例地增加，也就说明了在较高的应力变化范围下，螺栓的裂纹扩展周期较短，螺栓疲劳寿命较低，更容易发生断裂失效。

图7 5# 高频疲劳试样断裂位置及断口形貌图

3 结论

风力机叶片结构复杂性和运行波动性导致载荷复杂交变，长时间交变载荷造成高频疲劳损伤。对2 MW风力机叶片上所用42CrMoA高强连接螺栓材料的疲劳性能与断裂特征进行研究，探讨了螺栓材料的失效机理以及疲劳损伤的发展过程，研究结果表明，在对试样施加的等幅递增的应力试验中，650 MPa载荷下6.444 9×106周此后螺栓尚未断裂，750 MPa载荷下的疲劳寿命达1.056 4×106周次；其次根据所得试验数据拟合出螺栓的高频疲劳S-N曲线方程为lgN=26.265-6.987lg(ΔσAVG)；螺栓的高频疲劳损伤具有多疲劳裂纹起源区特征，螺栓断裂是由于多源裂纹交汇后形成峰线所导致；在相同的最大应力加载下，应力振幅越高，裂纹扩展速率越大，高频疲劳寿命越低。研究结果对揭示风机螺栓损伤断裂原因和风机安全运行具有重要意义。