摘 要:采用宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡分析等方法,分析了 某核電減速機(jī)輪轂與輻條連接螺栓的斷裂失效原因.結(jié)果表明:螺栓斷裂是由于螺栓松動(dòng)后,輻條 上下滑動(dòng),使螺栓承受較大的剪切應(yīng)力,最終導(dǎo)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(kuò)展. 

關(guān)鍵詞:連接螺栓;斷裂;疲勞;夾雜物;失效分析 

中圖分類號(hào):TG１１５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７７８Ｇ０４

某核電緊固螺栓用于連接鼓形濾網(wǎng)減速機(jī)輪轂 與輻條,材料為奧氏體不銹鋼,規(guī)格為 M２４ mm× １４０mm,力學(xué)性能等級(jí)為 GB/T３０９８．６－２０１４«緊 固件機(jī) 械 性 能 不 銹 鋼 螺 栓、螺 釘 和 螺 柱»要 求 的 A４Ｇ７０級(jí).大修期間在對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查 時(shí) 發(fā) 現(xiàn) 有 ５個(gè)螺栓缺失,２ 個(gè)螺栓斷裂,大部分螺栓已松動(dòng). 斷裂螺栓現(xiàn)場(chǎng)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(fā)生,筆者對(duì)其進(jìn)行 了檢驗(yàn)和分析. 

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀檢驗(yàn) 

圖２為斷裂螺栓宏觀形貌.可見螺母已丟失, 經(jīng)與完整螺栓對(duì)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(chǎn)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(qū),該區(qū)面積較小,略微凸起,呈 細(xì)長(zhǎng)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(tái)階,整個(gè)斷口呈明顯的多源雙向疲 勞斷裂特征[１]. 

１．２ 常規(guī)理化檢驗(yàn) 

在斷裂螺栓上取樣進(jìn)行化學(xué)成分、室溫拉伸、非金屬夾雜物、顯微組織等檢驗(yàn)分析.表１和表 ２分 別為化學(xué)成分分析和室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)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(cè)定———標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法»中的 A 法進(jìn)行評(píng)定.

由表１和表２可見,斷裂螺栓的化學(xué)成分及室 溫拉 伸 性 能 均 符 合 GB/T３０９８．６－２０１４ 技 術(shù) 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(zhǎng)條狀?yuàn)A雜物為硅酸鹽類夾雜物, 非金屬夾雜物含量評(píng)定結(jié)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(yàn)設(shè)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(tài)較好,未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)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(qū)可見放射狀臺(tái) 階,屬多源斷裂,見圖７a);兩側(cè)擴(kuò)展區(qū)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(qū)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(chǎn)物能譜(EDS)分 析結(jié)果.可見腐蝕產(chǎn)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(yàn)結(jié)果可見:失效螺栓的化學(xué)成分、室溫拉伸性能均符合 GB/T３０９８．６－２０１４技術(shù) 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(xù)性,降低了鋼材的力學(xué)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(shí),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(xué)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(shí),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(kuò)展. 

斷口附近腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)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(jié)果表明,螺栓斷裂形式為多源 雙向疲勞斷裂.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢修情況可知,該設(shè)備大 部分螺栓已松動(dòng),設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),鼓形濾網(wǎng)輻條上下滑 移,對(duì)螺栓產(chǎn)生了較大的剪切應(yīng)力,循環(huán)往復(fù),最終 導(dǎo)致螺栓雙向疲勞斷裂[６].導(dǎo)致螺栓松動(dòng)的可能原 因較多,設(shè)備運(yùn)行過程中的振動(dòng)、高低載荷變化、沖 擊、安裝時(shí)預(yù)緊力過低、未采取適當(dāng)?shù)姆浪纱胧?、裝 配方法不得當(dāng)?shù)?都有可能引起螺栓松動(dòng)[７].

３ 結(jié)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?yàn)槁菟ㄋ蓜?dòng)后,設(shè)備旋轉(zhuǎn)過程中鼓 形濾網(wǎng)輻條上下滑動(dòng),使螺栓承受較大的剪切應(yīng)力, 并最終導(dǎo)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(kuò)展. 

建議提升螺栓原材料生產(chǎn)質(zhì)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(shí)應(yīng)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(jìn)行力矩校核和擰緊 等. 

參考文獻(xiàn): 

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

[２] 孟文華,曾偉傳,顧靜青,等．１０．９級(jí)螺栓早期疲勞斷 裂失效分析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),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(xué)廣,裴海祥．柴油機(jī)用高強(qiáng)度螺栓斷裂失 效分析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１６,５２(６):４３１Ｇ ４３４． 

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

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

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

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)