某一體化污水處理設備拉桿螺栓的失效分析

張 帥

（1.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004；2.廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術重點實驗室，廣西 南寧530004）

1 研究背景

由于一體化污水設備具有占地面積小、處理負荷大、分散性好、施工方便等優(yōu)點，城鎮(zhèn)及農(nóng)村區(qū)域足部開始選擇符合當?shù)匚鬯幚砬闆r的一體化污水處理設備，因此一體化污水處理設備得到了廣泛應用[1]。但是污水總存在大量腐蝕性物質(zhì)，使得污水處理設備的構件容易發(fā)生失效，常見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備拉桿螺栓突發(fā)斷裂事故，導致處理設備不能正常運轉(zhuǎn)，大量污水囤積，使得設備壓力過大，如不能及時處理將會導致設備的整體損壞。圖1、圖2分別為一體化污水處理設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、金相組織和化學成分等方面進行了綜合分析。

圖1 出廠前設備圖

圖2 螺栓斷裂后設備圖

2 理化檢驗與分析

理化檢驗與分析首先從宏觀方面對斷口的形貌進行了分析，然后利用掃描電鏡對經(jīng)過超聲清洗過的斷口進行觀察。此外利用電子顯微鏡觀察了試樣的表面，確認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）對試樣進行金相分析，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試樣表面進行了成分分析，在試樣表面選取多個點后總結了各點的化學成分質(zhì)量占比，同時對材料中各元素含量進行了分析。

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程，還可以通過將該構件斷口的宏觀形貌與各失效形式的斷口宏觀形貌進行對比，在深入分析斷口的明顯特征后，初步判斷該構件的失效形式。斷口的宏觀分析為斷口的金相組織分析奠定了基礎，是材料失效分析中的關鍵環(huán)節(jié)。

對ACM生物反應器中失效的螺栓斷口形貌進行了采集，如圖3所示，螺栓斷口的表面呈現(xiàn)出暗灰色，出現(xiàn)人字形山脊狀花紋，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生物反應器斷裂螺栓的失效形式為韌性斷裂和疲勞斷裂。

圖3 1號螺栓斷裂斷口圖

圖42 號螺栓斷裂斷口圖

2.2 微觀斷口分析

微觀斷口分析指的是通過各類顯微鏡如金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡等放大倍數(shù)較高的精密儀器來觀察斷口的微觀形態(tài)、研究斷裂過程以及各種與斷裂有關的信息[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行清洗，清洗完成后使用吹風機吹干，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生物反應器的螺栓斷口屬于解理和微坑的混合斷口。

2.3 化學成分

化學成分通過能譜儀進行測定，能譜儀是利用探測器接收具有不同能量的X光量子后發(fā)出脈沖訊號，放大器將訊號適當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。本次實驗選用帶有能譜的Phenom ProX的掃描電子顯微鏡對試樣表面進行成分分析，在試樣表面選取多個點后，總結各點的化學成分質(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標準中對304不銹鋼元素成分要求[4]，但S、C、P等雜質(zhì)元素超出標準值[5-7]。在金屬材料中，硫磷含量是一項重要指標，硫在鋼中與鐵生成硫化亞鐵后與鐵生成共晶體，易導致鋼材開裂，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，在加工和運轉(zhuǎn)過程中易發(fā)生斷裂失效。

2.4 金相組織

通過電子顯微鏡來觀察試樣的表面，在確認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）對試樣進行金相分析，觀察并拍攝試樣的金相顯微組織。

用型號為Phenom ProX的掃描電子顯微鏡對試樣的顯微組織形貌進行觀察分析。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)晶粒尺度的測定和評級方法，用比較法測定奧氏體晶粒度[8]。與標準奧氏體不銹鋼晶粒等級相比，該試樣的晶粒等級較高，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械性能和工藝性能較差，在設備運轉(zhuǎn)過程中易發(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，一部分斷口的宏觀形貌符合韌性斷裂的典型特征。在實際工程中，韌性斷裂通常由超載導致，即構件危險截面處所承受的實際應力超出材料的屈服極限。隨著工作時間的增加，ACM生物反應器所堆積的淤泥逐漸增多，從而加大了螺栓處所受應力，導致螺栓發(fā)生斷裂失效。另一部分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展速率，也加快了螺栓斷裂失效的進程。

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)過多、晶粒粗大等因素所導致。對螺栓材料進行金相組織分析后，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械性能和工藝性能較差，在設備運轉(zhuǎn)過程中易發(fā)生斷裂失效。同時通過對螺栓材料的化學成分分析可知，材料中所含雜質(zhì)元素含量較高，因此導致材料的塑性和韌性較差。

4 結論

綜上分析得出以下結論：

（1）失效螺栓的化學成分中雜質(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斷裂。