摘 要:某核電廠海水循環(huán)泵齒輪箱連接螺栓在服役過程中發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學成 分分析、硬度測試、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法對該螺栓斷裂原因進行了分析。結果表 明:該螺栓發(fā)生了疲勞斷裂,螺栓表面脫碳層中鐵素體降低了螺栓的表面硬度和耐磨性;螺栓在拆 裝過程中與螺栓孔邊緣摩擦產生了折疊或微裂紋,這些折疊或微裂紋成為螺栓早期裂紋形成與擴 展的疲勞源。 

關鍵詞:齒輪箱;螺栓;疲勞斷裂;脫碳;微裂紋

中圖分類號:TG178 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)09-0055-04

海 水 循 環(huán) 泵 是 壓 水 堆 核 電 站 海 水 循 環(huán) 系 統(tǒng) (CRF)的關鍵能動設施,齒輪箱作為其中的重要部 件,其作用為:將電機通電后產生的高轉速、低扭矩 動能轉換為低轉速、高扭矩動能,并將該動能傳遞到 海水循環(huán)泵葉輪,使海水流向凝汽器、閉式冷卻水換 熱器等設備,完成對相關設備的充分冷卻[1]。連接 螺栓是保證齒輪箱安全穩(wěn)定承載和傳遞運動的關鍵 機械零件,這些螺栓往往為8.8或10.9級的高強螺 栓。作為一種典型的多缺口零件,高強螺栓在服役 時多承受拉應力,且應用于振動設備上螺栓的受力 情況更為復雜,其服役過程中除受到預緊拉應力外, 還要承受因設備振動而產生的周期性脈動載荷和沖 擊載荷[2]。與同材料的其他缺口件相比,因螺紋的 存在,螺栓的疲勞強度明顯偏低,因此高強螺栓在交 變載荷的作用下,在螺紋處發(fā)生疲勞斷裂的可能性 較大[3-4]。吳玉枝等[5]發(fā)現(xiàn)汽車前橋緊固件10.9級 高強螺栓因調質處理時氣氛碳勢過高,表層形成了 滲碳層,以及牙底圓弧半徑較小導致螺栓承載時產 生了 應 力 集 中,并 發(fā) 生 疲 勞 斷 裂。GONZáLEZ 等[6]研究了螺釘?shù)牧鸭y起源,發(fā)現(xiàn)螺釘多斷裂于螺 紋的根部,螺釘中氫元素降低了其抗疲勞性能,最終 導致螺栓因靜態(tài)過載而斷裂。王榮等[7]研究發(fā)現(xiàn),螺 栓制造過程中產生的鍛造折疊,及經過拉拔而產生的 線狀缺陷分布,容易使螺栓產生應力集中,在強大的淬火應力作用下螺栓易沿軸向發(fā)生開裂。針對10.9 級高強度六角螺栓服役過程中R 角處斷裂失效的案 例研究則少有報道。

某10.9級高強度齒輪箱連接螺栓發(fā)生斷裂,其 規(guī)格為42mm×430 mm(外徑×長度),筆者采用 宏觀觀察、化學成分分析、硬度測試、金相檢驗、掃描 電鏡(SEM)及能譜分析等方法對該螺栓斷裂的原 因進行了分析,為在交變載荷下高強螺栓的工程應 用及其服役壽命評估提供了參考。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

斷裂螺栓的宏觀形貌如圖1所示。由圖 1 可 知:螺栓斷裂于頭部 R 角處,螺桿及六角頭部位未 見明顯的塑性變形,呈現(xiàn)脆性斷裂特征;斷口較平 整,整體呈灰色,可觀察到明顯的裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)及瞬斷區(qū);擴展區(qū)平坦、光滑且顏色較暗,呈半 月形,且逐漸由邊緣向心部擴展,面積約為斷口總面 積的25%,呈現(xiàn)疲勞擴展形態(tài);斷裂螺栓的 R 角半 徑為1867μm,符合 GB/T5783—2016 《六角頭螺 栓 全螺紋螺栓》的要求(≥1200μm)。

1.2 金相檢驗 

對斷裂螺栓裂紋處(六角頭斷口起源位置)及螺 紋處進行金相檢驗,結果如圖2,3所示。由圖2可 知:六角頭表面顯微組織與心部組織存在較大差異, 表面存在半脫碳層,表面組織為索氏體+鐵素體;心 部組織為回火索氏體;斷口下方存在二次裂紋,裂紋 平直,起源于表面,向螺栓心部擴展;在裂紋源附近 存在部分細小裂紋,細小裂紋均位于螺栓表面半脫 碳層位置。由圖3可知,螺紋處未見脫碳層,表明六 角頭位置的半脫碳并非產生于螺栓熱處理過程中, 而是產生于六角頭成形過程中。

螺栓六角頭多采用鐓頭成形的加工方式,在鐓 頭成形過程中,螺栓的加熱方式為局部加熱。在加 熱過程中,加熱速率過慢或在高溫區(qū)域停留時間過 長會使 Fe3C 在高溫下與 O2,H2O 等發(fā)生反應,表 面組織中 Fe3C減少使螺栓邊緣及R 角處的鐵素體 含量增加,造成六角頭位置表面半脫碳,形成厚度約 為100μm~150μm 的鐵素體+索氏體層。鐵素體 的存在降低了材料表面的硬度,使得R 角處容易因 摩擦而發(fā)生劃傷,同時還降低了螺栓表面的疲勞強 度,使螺栓產生疲勞裂紋。

1.3 化學成分分析 

采用火花光譜儀對螺栓靠近斷口的桿部進行化 學成分分析,結果如表1所示,可知斷裂螺栓的元素 含量符合 GB/T3098.23—2020 《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對10.9級碳鋼的要求。

1.4 硬度測試 

對斷裂螺栓R 角處半脫碳區(qū)域進行硬度測試,結果 如表2所示。由表2可知,R 角處半脫碳區(qū)域硬度分布 不均勻,半脫碳區(qū)域中鐵素體含量較多的位置(表面)硬 度較低,索氏體含量較多的位置(次表面)硬度較高。

1.5 SEM 及能譜分析 

圖4為斷口的SEM 形貌。由圖4a),4b)可知: 裂紋起源于 R 角根部,呈臺階狀,由螺栓外表面向 內部擴展;裂紋源區(qū)側面(靠近斷口的R 角根部)存 在嚴重的摩擦及擠壓痕跡,摩擦處呈現(xiàn)平行或垂直 于螺栓軸線的溝壑狀,摩擦或擠壓區(qū)域存在大量微 裂紋,裂紋多垂直于螺栓軸線方向,少數(shù)裂紋與螺栓 軸線方向呈一定角度分布。 

由圖4c),4d)可知:裂紋擴展區(qū)呈半月狀,表面 光滑,無明顯的塑性變形,擴展區(qū)靠近邊緣位置存在 大量疲勞輝紋,輝紋細膩緊密,說明裂紋擴展速率較 慢,呈疲勞特征;隨著擴展區(qū)向內部推進,疲勞輝紋 呈短粗狀分布,斷口呈準解理特征分布。 

由圖4e)可 知:終 斷 區(qū) 面 積 較 大,約 占 斷 口 總 面積的3/4,表面呈顆粒狀,顆粒形態(tài)呈現(xiàn)由過渡 區(qū)向螺栓另 一 端 撕 裂 狀,為 典 型 的 過 載 瞬 斷 斷 口 形貌。斷口 特 征 為 等 軸 狀 韌 窩,少 數(shù) 韌 窩 中 存 在 非金屬夾雜物,可見該裂紋擴展時主要承受拉伸彎曲交變應力。疲勞斷面與瞬斷斷面之間分界明 顯,可見螺栓疲勞開裂后,在某一瞬間因承受過載 應力而突然斷裂。 

圖5為斷口側面的 EDS分析結果,可知靠近斷口側面主要元素為 Fe,未見Zn元素,隨著與斷口的 距離變大,Zn元素含量逐漸增加。表明螺栓表面存 在鍍鋅層,該區(qū)域發(fā)生了嚴重摩擦現(xiàn)象,表面鍍鋅層 因摩擦而發(fā)生脫落。

2 綜合分析 

上述理化檢驗結果表明,該斷裂螺栓的化學成 分、硬度及力學性 能 均 滿 足 GB/T3098.23—2020 對10.9級螺栓的要求。金相檢驗結果顯示,螺栓心 部組織與邊緣及R 角處的組織存在較大差別,心部 組織為回火索氏體,邊緣及R 角處的組織為索氏體 +鐵素體,表明六角頭邊緣及 R 角處發(fā)生了脫碳。 螺栓螺紋處脫碳層檢測結果顯示,六角頭邊緣及 R 角處脫碳并非產生于螺栓熱處理過程中,而是產生 于六角頭熱鐓成形過程中,且這一過程中六角頭加 熱緩慢或在高溫處停留時間過長,導致 Fe3C 在高 溫下與 O2,H2O 等發(fā)生反應,使螺栓內部的 Fe3C 減少,從而增加了螺栓邊緣及 R 角處的鐵素體相, 引起了脫碳。脫碳層的存在使得螺栓邊緣處疲勞強 度降低,容易引發(fā)微裂紋。

根據(jù)螺栓斷口宏觀及微觀分析結果可知,斷口 呈疲勞斷裂特征。裂紋源區(qū)側面存在嚴重的摩擦及 擠壓痕跡,摩擦處呈現(xiàn)平行或垂直于螺栓軸線的溝 壑狀。發(fā)生摩擦或擠壓的區(qū)域內存在大量微裂紋, 裂紋多垂直于螺栓軸線方向分布。結合 EDS分析 可知,未發(fā)生摩擦或擠壓區(qū)域的表面存在鍍鋅層,而 發(fā)生摩擦或擠壓區(qū)域的金屬裸露在外,未發(fā)現(xiàn)鍍鋅 層。由此可推斷,裂紋源區(qū)側面摩擦或擠壓痕跡為 安裝或服役過程中產生的,摩擦或擠壓區(qū)域位于六 角頭脫碳部位,脫碳層的存在使材料表面硬度及耐 磨性降低,導致R 角在與法蘭螺栓孔邊緣接觸過程 中,因摩擦而產生折疊或微裂紋,這些折疊或微裂紋 成為螺栓早期裂紋形成與擴展的疲勞源。 

該螺栓用于齒輪箱內齒圈與箱體法蘭,長期承 受持續(xù)的振動應力和循環(huán)交變應力,造成了R 角微 裂紋處應力疊加或應力集中,從而導致疲勞裂紋的 產生。當疲勞裂紋擴展面積約占表面的25%時,剩 余面積無法承載因螺栓緊固及振動而產生的拉應 力,最終導致螺栓過載斷裂。

3 結論 

該10.9級螺栓的斷裂性質為疲勞斷裂,斷裂原 因為螺栓表面脫碳層中鐵素體的存在降低了螺栓的 表面硬度和耐磨性,螺栓在拆裝過程中與螺栓孔邊 緣發(fā)生摩擦并產生了折疊或微裂紋,這些折疊或微 裂紋成為螺栓早期裂紋形成與擴展的疲勞源。

參考文獻: 

[1] 文學.海水循環(huán)泵異常振動故障分析與處理[J].設備 管理與維修,2019(17):163-165. 

[2] 吳勇,陳琴珠,鄒慧君.摩擦離合器螺栓聯(lián)接預緊力對 疲勞壽命的影響[J].機械設計與研究,2012,28(6): 67-69. 

[3] 吳繼權,趙昆玉,沈創(chuàng)謙.40ACR 高強螺栓斷裂原因 分析[J].理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),2015,51(3):203- 205. 

[4] 韓克甲,趙曉輝,李洪偉.35CrMo鋼高強螺栓斷裂失 效分析[J].理化檢驗(物理分冊),2017,53(6):434- 436. 

[5] 吳玉枝,陳云祥,厲曉航.10.9級高強螺栓斷裂失效分 析[J].金屬熱處理,2009,34(11):108-110. 

[6] GONZáLEZ P V, MURO A P, GARCíAMARTíNEZ M.Failureanalysisstudyonafractured bolt[J].Engineering Failure Analysis,2020,109: 104355. 

[7] 王榮.高強度螺栓表面開裂原因分析[J].物理測試, 2010,28(4):37-41. 

<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 9期 (pp:55-58)>