摘 要:采用宏觀檢驗、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、掃描電鏡分析等方法,分析了 某核電減速機輪轂與輻條連接螺栓的斷裂失效原因.結果表明:螺栓斷裂是由于螺栓松動后,輻條 上下滑動,使螺栓承受較大的剪切應力,最終導致其多源雙向疲勞斷裂;螺栓材料中存在大量超尺 寸脆性硅酸鹽類夾雜物,在一定程度上加速了疲勞裂紋的形成和擴展.

關鍵詞:連接螺栓;斷裂;疲勞;夾雜物;失效分析

中圖分類號:TG１１５ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７７８Ｇ０４

某核電緊固螺栓用于連接鼓形濾網減速機輪轂 與輻條,材料為奧氏體不銹鋼,規格為 M２４ mm× １４０mm,力學性能等級為 GB/T３０９８．６－２０１４«緊 固件機 械 性 能 不 銹 鋼 螺 栓、螺 釘 和 螺 柱»要 求 的 A４Ｇ７０級.大修期間在對設備進行檢查 時 發 現 有 ５個螺栓缺失,２ 個螺栓斷裂,大部分螺栓已松動. 斷裂螺栓現場裝配位置如圖１所示.為了查明該連 接螺栓失效原因,防止斷裂再次發生,筆者對其進行 了檢驗和分析.

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀檢驗

圖２為斷裂螺栓宏觀形貌.可見螺母已丟失, 經與完整螺栓對比可見,兩螺栓均斷裂于螺栓頭部 與光桿連接處,斷口及光桿表面均覆蓋有黃褐色腐蝕產物.

圖３為清洗后的螺栓斷口宏觀形貌.由圖３可 見:兩斷口形貌相似,斷面平齊,幾乎看不到塑性變 形;斷口中部為瞬斷區,該區面積較小,略微凸起,呈 細長條狀;斷裂源位于螺栓外表面,斷口邊緣分布有 較多的放射狀臺階,整個斷口呈明顯的多源雙向疲 勞斷裂特征[１].

１．２ 常規理化檢驗

在斷裂螺栓上取樣進行化學成分、室溫拉伸、非金屬夾雜物、顯微組織等檢驗分析.表１和表 ２分 別為化學成分分析和室溫拉伸試驗結果.非金屬夾 雜物含量按照 GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾 雜物含量的測定———標準評級圖顯微檢驗法»中的 A 法進行評定.

由表１和表２可見,斷裂螺栓的化學成分及室 溫拉 伸 性 能 均 符 合 GB/T３０９８．６－２０１４ 技 術 要求.

由圖４可見,兩螺栓組織中均存在較多的非金屬 夾雜物.其中黑色長條狀夾雜物為硅酸鹽類夾雜物, 非金屬夾雜物含量評定結果為:A１,B０,C３e,D２.

圖５為斷裂螺栓顯微組織形貌,侵蝕劑為王水, 檢驗設備為ZeissAxiovert２００MAT 倒置萬能材料 顯微鏡.由圖５可見,螺栓顯微組織為奧氏體＋少 量條狀鐵素體,未見明顯組織異常.

在同批次未斷裂螺栓頭部與光桿連接部位取樣, 制成金相試樣后在顯微鏡下觀察,如圖６所示.可見 螺 栓頭部與光桿連接部位的過渡圓角呈鈍角,且過渡圓滑,加工流線形態較好,未發現明顯的結構異常.

１．３ 斷口微觀分析

兩失效螺栓斷口形貌相似,取失效螺栓１斷口置 于 TESCAN VEGA５１３６掃描電子顯微鏡(SEM)下 觀察,如圖７所示.斷口邊緣啟裂區可見放射狀臺 階,屬多源斷裂,見圖７a);兩側擴展區有明顯的疲勞 條帶,呈明顯的疲勞斷裂特征[２],見圖７b);瞬斷區面 積較小,微觀上呈韌窩形貌,見圖７c).

圖８為斷口附近黃褐色腐蝕產物能譜(EDS)分 析結果.可見腐蝕產物主要為鐵的氧化物,未見有 腐蝕性元素存在,說明腐蝕不是引起螺栓疲勞斷裂 的主要原因[３].

２ 綜合分析

由上述理化檢驗結果可見:失效螺栓的化學成分、室溫拉伸性能均符合 GB/T３０９８．６－２０１４技術 要求;螺栓顯微組織為奧氏體＋少量鐵素體,組織中 存在較多的非金屬夾雜物,尤其是硅酸鹽類夾雜物 含量較高,且部分夾雜物超尺寸.

硅酸鹽類夾雜物為脆性夾雜物,與鋼基體之間 在物理性能及變形能力等方面均存在較大差異,且 破壞了鋼基體的均勻連續性,降低了鋼材的力學性 能,尤其是降低了鋼材的塑性、韌性和疲勞極限[４]. 螺栓頭部在鐓制成型時,頭部與光桿連接部位的組 織和夾雜物隨頭部鐓粗而趨于橫向分布,降低了該 處的綜合力學性能,且由于夾雜物變形能力較差,在 鋼與夾雜物界面處形成了顯微裂紋,螺栓受力時,這 些顯微裂紋成為疲勞破壞的啟裂源[５].若密集的夾 雜物暴露 于 螺 栓 表 面,將 加 速 疲 勞 裂 紋 的 形 成 和 擴展.

斷口附近腐蝕產物能譜分析結果顯示未見有腐 蝕性元素存在,表明腐蝕不是引起螺栓斷裂的主要原因.

螺栓斷口分析結果表明,螺栓斷裂形式為多源 雙向疲勞斷裂.結合現場檢修情況可知,該設備大 部分螺栓已松動,設備轉動時,鼓形濾網輻條上下滑 移,對螺栓產生了較大的剪切應力,循環往復,最終 導致螺栓雙向疲勞斷裂[６].導致螺栓松動的可能原 因較多,設備運行過程中的振動、高低載荷變化、沖 擊、安裝時預緊力過低、未采取適當的防松措施、裝 配方法不得當等,都有可能引起螺栓松動[７].

３ 結論及建議

螺栓斷裂形式為多源雙向疲勞斷裂.造成螺栓 斷裂的主要原因為螺栓松動后,設備旋轉過程中鼓 形濾網輻條上下滑動,使螺栓承受較大的剪切應力, 并最終導致螺栓雙向疲勞斷裂;螺栓組織中的大量 超尺寸硅酸鹽類夾雜物在一定程度上加速了疲勞裂 紋的形成和擴展.

建議提升螺栓原材料生產質量,將原材料組織 中的非金屬夾雜物含量和尺寸控制在合理水平;螺 栓安裝時應遵循一定的緊固順序原則,并采取防松 措施,例如增加防松墊圈、定期進行力矩校核和擰緊 等.

參考文獻:

[１] 潘春旭,張棟．失 效 分 析 [M]．北 京:國 防 工 業 出 版 社,２００４．

[２] 孟文華,曾偉傳,顧靜青,等．１０．９級螺栓早期疲勞斷 裂失效分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１７,５３(４): ３６５Ｇ３６７．

[３] 姜愛華,陳 亮,師 紅 旗,等．螺 栓 疲 勞 斷 裂 失 效 分 析 [J]．熱加工工藝,２０１３,４２(２):２２２Ｇ２２３．

[４] 王磊,陳學廣,裴海祥．柴油機用高強度螺栓斷裂失 效分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１６,５２(６):４３１Ｇ ４３４．

[５] 丁惠麟,金 榮 芳．機 械 零 件 缺 陷、失 效 分 析 與 實 例 [M]．北京:化學工業出版社,２０１３．

[６] 包錫桂．某挖掘機高強螺栓斷裂原因分析[J]．理化檢 驗(物理分冊),２０１７,５３(３):２０４Ｇ２０７．

[７] 謝雁成．淺析裝配螺栓松動原因及防松措施[J]．裝備 制造技術,２０１５(４):１７３Ｇ１７５．

文章來源——材料與測試網