某核電機組柴油機緊固螺柱斷裂原因分析

張玉忠, 楊哲一, 史志剛, 張寶柱

(1. 福建寧德核電有限公司, 寧德 315200；2. 西安熱工研究院有限公司, 西安 710054)

柴油機在核電機組中承擔著保障核電廠應急響應用電的重要任務，而柴油機緊固件失效是影響柴油機正常工作的重要因素之一[1-3]。某核電機組柴油機凸輪止推盤上的緊固螺柱在回裝過程中發生斷裂，該螺柱為雙頭螺柱，規格為M12 mm×85 mm，材料為碳鋼，螺柱在發生斷裂前已服役約7 a(年)。為查明螺柱發生斷裂的原因，筆者對其進行了理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

宏觀觀查發現，螺柱于螺母側螺紋段與螺桿相鄰的第一齒處沿橫向斷裂，螺柱表面還存在一條長為60 mm的縱向裂紋，該裂紋位于螺母側螺紋段端頭至螺桿中部，螺桿表面局部有碰磨痕跡，推測為斷后拆卸螺柱所致，如圖1所示。

由圖2可見，斷裂螺柱螺桿側斷口和螺紋側斷口均由平坦斷面和起伏不平的斷面(以下簡稱起伏斷面)兩部分組成；平坦斷面表面覆蓋著一層藍黑色的氧化層；起伏斷面呈扭轉塑性變形形貌，且斷面較新鮮，未見藍黑色氧化層。將螺桿沿縱向裂紋打開，如圖3所示,可見裂紋斷口較平坦，且表面覆蓋著一層藍黑色氧化層，與上述平坦斷面的顏色相同。

圖1 斷裂螺柱不同部位的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of different parts of the fractured stud: a) screw stem; b) screw thread; c) top of screw thread

圖2 螺柱不同部位斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of different parts of stud fracture: a) screw side fracture; b) thread side fracture

圖3 螺柱縱向裂紋斷口的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the fracture of stud longitudinal crack

1.2 化學成分分析

按照GB/T 223—2008《鋼鐵及合金化學分析方法》，在斷裂螺柱螺桿的斷口處取樣，采用JENA AAS novAA 300型原子吸收光譜儀進行化學成分分析。由表1可見，螺柱的化學成分符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》中對碳鋼的要求。

表1 螺柱的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of stud (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

分別在螺柱斷口的螺紋段縱截面和螺柱螺桿中部橫截面取樣，試樣的宏觀形貌如圖4所示。試樣經打磨、拋光，采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后，采用OLYMPUS GX71型光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織。由圖5可見，螺柱螺紋段基體的顯微組織為回火索氏體，組織未見異常；螺牙底存在多個折疊缺陷，不符合 GB/T 5779.3—2000《緊固件表面缺陷 螺栓、螺釘和螺柱 特殊要求》的技術要求，螺牙和螺桿表面局部存在全脫碳層，最深約為0.05 mm，深度大于GB/T 3098.1—2010對8.8級螺柱全脫碳層深度要求的上限值(0.015 mm)。螺牙頂端存在缺口,缺口尺寸未超過標準要求的上限值。斷口裂紋源區和裂紋擴展區邊緣呈折線狀，斷口瞬斷區存在撕裂的痕跡。由圖6可見，螺柱螺桿中部的縱向裂紋呈沿晶開裂，裂紋表面存在薄氧化層，未見脫碳層及鐵素體，由此判斷該縱向裂紋為淬火裂紋，不符合GB/T 5779.3—2000的規定。

圖4 螺柱螺紋段和螺桿中部金相試樣的宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of metallographic samples ata) thread segment and b) middle part of screw of stud

圖5 螺柱螺紋段不同部位的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of different parts of stud thread:a) folding defect on the top of screw tooth; b) gap on the top of screw tooth; c) folding defect and decarburizationlayer on the bottom of screw tooth; d) fracture source area; e) fracture extension area; f) final fracture area; g) matrix

圖6 螺柱螺桿中部的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of middle part of stud screw:a) crack initiation; b) middle of crack; c) crack tip

1.4 硬度測試

根據GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，分別在螺柱斷口附近、螺紋段縱截面、螺柱螺桿中部橫截面取樣，采用HVS-50型維氏硬度計對其進行維氏硬度測試，載荷為98 N，加載時間為12 s，結果如表2所示?？梢娍拷菅捞幉糠志S氏硬度略高于GB/T 3098.1—2010要求的上限值，稍遠離螺牙及螺桿中部橫截面的維氏硬度符合GB/T 3098.1—2010的要求，但也接近該標準要求的上限值。

1.5 掃描電鏡分析

分別在螺柱斷口和縱向裂紋斷口取樣，采用FEI QUANTA 400型掃描電鏡(SEM)進行觀察。由圖7可見，螺柱斷口的平坦斷面為沿晶開裂，其表面覆蓋著一層氧化層；起伏斷面存在韌窩。由圖8可見，螺柱縱向裂紋斷口呈沿晶開裂，其表面也覆蓋著一層氧化層，斷口近外壁區域、中部區域、裂紋尖端區域的形貌與螺柱斷口平坦斷面的一致。

表2 螺柱不同部位的硬度測試結果Tab.2 Hardness test results of differentparts of stud HV10

圖7 螺柱斷口不同部位的SEM形貌Fig.7 SEM morphology of different parts of stud fracture: a) flat fracture near surface; b) flat fracture; c) fluctuant fracture

圖8 螺柱縱向裂紋斷口不同區域的SEM形貌Fig.8 SEM morphology of different area of fracture on stud longitudinal crack: a) area near outer wall; b) middle area; c) crack tip area

圖9 螺柱斷口平坦斷面和縱向裂紋斷口的EDS分析位置Fig.9 EDS analysis positions of a) flat section fractureand b) longitudinal crack fracture of stud

1.6 能譜分析

采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對螺柱斷口平坦斷面和縱向裂紋斷口進行微區成分分析，分析位置和分析結果分別如圖9和表3所示。由表3可見，螺柱斷口與縱向裂紋斷口的成分無明顯差異，除均含有鐵、氧元素外，還含有少量鈉、鉀、鎂和鈣等雜質元素，未見腐蝕性元素。

表3 螺柱不同部位的EDS分析結果(質量分數)Tab.3 EDS analysis results of different parts of stud (mass fraction) %

2 分析與討論

由理化檢驗結果可知，斷裂螺柱存在淬火裂紋、折疊超標、全脫碳層深度超標及螺牙附近硬度略超標等問題，螺柱的化學成分符合標準要求，基體的顯微組織未見異常。

螺柱斷口的平坦斷面與縱向裂紋斷口均呈藍黑色，除了含有鐵、氧元素外，均含有少量鈉、鉀、鎂和鈣等雜質元素，宏觀形貌未見差異；螺柱斷口的平坦斷面與縱向裂紋斷口均為沿晶開裂，且表面覆蓋一層氧化層，顯微組織形貌和成分未見差異，EDS分析結果也基本一致。綜上可判斷螺柱斷口的平坦斷面與縱向裂紋的形成原因相同，均為淬火裂紋。淬火裂紋在螺柱回裝過程中安裝扭矩的作用下迅速擴展，造成螺柱一次性過載斷裂。

螺柱材料在淬火過程中，由于淬火溫度控制不正確、淬火冷速不合適等因素，使淬火內應力和顯微裂紋敏感度增加，從而形成淬火裂紋[4-7]。由金相檢驗結果可知，斷裂螺柱螺牙底存在折疊缺陷，推測為滾絲質量不良所致，在后續淬火過程中，螺牙底的折疊缺陷進一步開裂成為淬火裂紋。該螺柱是在拆卸后回裝過程中發生斷裂，說明螺柱在回裝時旋擰的扭矩較首次裝配時的大得多，原始橫向淬火裂紋已經減少了螺栓的橫向承載面積，在旋擰扭矩的繼續作用下，未斷裂部分無法承受扭矩的作用，導致螺柱斷裂并形成了呈扭轉塑性變形形貌的起伏斷面。

3 結論及建議

由于螺柱材料淬火溫度控制不正確、淬火冷速不合適，導致螺柱中形成了淬火裂紋。在回裝過程中的安裝扭矩作用下，螺柱在淬火裂紋處發生一次性過載斷裂。

建議加強對成品螺柱的檢查，以排除淬火裂紋等缺陷；改進螺柱材料的淬火工藝，如控制淬火溫度、更換冷卻介質以控制冷速等，避免出現淬火裂紋。