核電廠齒輪箱蝸輪固定螺栓斷裂失效分析

徐 科 胡明磊 宋逢兵 吳唯潔

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

螺栓緊固件常用于緊固聯(lián)接兩個(gè)帶有通孔的零件，是不可缺少的機(jī)械零件，廣泛用于汽車、內(nèi)燃機(jī)、航空、核電機(jī)組等眾多機(jī)械行業(yè)的裝配中[1-3]。國(guó)內(nèi)某核電廠對(duì)裝卸料機(jī)橋架系統(tǒng)的橋架滾珠螺母齒輪箱檢修，在對(duì)蝸輪進(jìn)行更換時(shí)，當(dāng)擰緊力矩80 lbf（要求范圍95～105 lbf）時(shí)，出現(xiàn)蝸輪固定螺栓斷裂，如圖1所示。固定螺栓屬于橋架滾珠螺母齒輪箱，在服役過(guò)程中螺栓處于受拉狀態(tài)，蝸輪蝸桿的徑向間隙較大，螺栓規(guī)格為1/2-13UNC×1 1/4。

圖1 蝸輪固定螺栓斷裂及裝配位置

1 理化試驗(yàn)

1.1 宏觀形貌

螺栓開(kāi)裂位于螺紋段，圖2為螺栓斷口照片，可見(jiàn)螺栓整體顏色分層明顯，啟裂區(qū)位于斷口邊緣螺紋牙底部位，斷面可見(jiàn)兩處裂紋源，顏色呈深黑色；擴(kuò)展區(qū)可看到明顯的放射棱，顏色由深逐漸變淺；瞬斷區(qū)可觀察到剪切唇，顏色呈淺灰色。

圖2 斷裂螺栓斷口實(shí)物圖

1.2 化學(xué)成分分析

采用火花直讀光譜儀依照ASTM E415-2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，其結(jié)果如表2所示，其碳含量0.37%，鉻、鎳、鉬等合金元素總含量低于0.5%。對(duì)比試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)，該螺栓材料化學(xué)成分基本符合ASME SA574 成分控制要求，其中Mn 0.94%略高于規(guī)定值0.93%；符合GB 3098.1 螺栓化學(xué)成分控制要求。

表2 固定螺栓化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果（wt%）及熱處理要求

1.3 硬度測(cè)試

依照GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)螺栓進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，測(cè)試位置為R/2處，選擇HV0.3公斤力，測(cè)試結(jié)果為420、418、419，符合GB/T3098.1中12.9級(jí)螺栓385～435HV的硬度要求。

1.4 顯微組織測(cè)試

依照GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)螺栓進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示，顯微組織為回火索氏體。觀察顯微組織照片，該螺栓組織均勻，沒(méi)有明顯粗大或異常的組織。

圖3 金相檢驗(yàn)結(jié)果（500X）

依照GB/T 10561《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》對(duì)螺栓進(jìn)行非金屬夾雜物測(cè)試，其表面沒(méi)有顯著的夾雜物，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判定該螺栓夾雜物為D0.5級(jí)，對(duì)螺栓性能無(wú)影響。

1.5 微觀形貌觀察

斷口的低倍形貌如圖4所示?？梢?jiàn)斷面存在兩處裂紋源（圖中A處和B處），均位于螺紋牙底部位，并且兩處裂紋源附近斷面均可見(jiàn)明顯腐蝕痕跡。

圖4 斷口形貌

斷口各區(qū)域微觀形貌如圖5所示。斷面A區(qū)和B區(qū)微觀形貌相同，斷口顏色深且邊緣被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，斷口呈“冰糖狀”沿晶開(kāi)裂，且呈弧形狀向內(nèi)部擴(kuò)展，均為斷口的啟裂區(qū)。C區(qū)和D區(qū)微觀形貌，主斷面以“冰糖狀”沿晶開(kāi)裂形貌為主，個(gè)別晶面顯示有“氫氣孔”及呈“雞爪紋”形態(tài)的穿晶解理，有氫脆特征，C區(qū)為A區(qū)的裂紋擴(kuò)展區(qū)，D區(qū)為B區(qū)的裂紋擴(kuò)展區(qū)。斷面E區(qū)和F區(qū)斷口微觀形貌呈韌窩狀，為韌性斷裂特征，E區(qū)為快速擴(kuò)展區(qū)，F(xiàn)區(qū)為瞬斷區(qū)。

圖5 分布器裝置示意圖

圖5 斷口各區(qū)域微觀形貌

對(duì)A區(qū)和B區(qū)進(jìn)行能譜分析，A區(qū)和B區(qū)能譜分析結(jié)果，可見(jiàn)均含有為C、Si、Fe、Mn、S、Cr、Zn、O、Cl等元素，A區(qū)的O元素含量占31.48%wt，Cl元素0.15%wt；B區(qū)的O元素含量占32.02%wt， Cl元素0.57%。在能譜分析前采用丙酮對(duì)觀測(cè)試樣進(jìn)行了超聲波清洗，可以排除外來(lái)氯離子的引入可能。能譜結(jié)果說(shuō)明螺栓啟裂區(qū)有少量Cl元素的存在，螺栓的斷裂是由應(yīng)力開(kāi)裂所導(dǎo)致的。

2 分析與討論

螺栓的化學(xué)成分、硬度、顯組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求，同批次螺栓氫脆斷裂可能性較小且材料性能未發(fā)現(xiàn)明顯脆化，因此可以排除材料不合格或者材料老化是引起螺栓斷裂主要因素。現(xiàn)階段使用環(huán)境中（潤(rùn)滑脂、防咬合劑）鹵素含量很低（低于檢測(cè)閾值），但仍可能存在極少量（低于50ppm）鹵素。本次斷裂螺栓斷口啟裂區(qū)檢測(cè)出氯離子，可能為螺栓儲(chǔ)運(yùn)、保養(yǎng)、清潔等安裝過(guò)程中引入的危害元素[4,5]。

拆卸時(shí)發(fā)現(xiàn)蝸輪蝸桿的徑向間隙較大，導(dǎo)致蝸輪和螺栓產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在螺栓斷裂部位形成拉伸和剪切復(fù)合作用。從斷口顏色和形貌來(lái)看，螺栓斷裂存在啟裂、擴(kuò)展和瞬斷三個(gè)典型區(qū)域，該螺栓斷裂可分為三個(gè)階段：

（1）啟裂，主要為氯致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。螺栓在拉剪應(yīng)力和氯離子環(huán)境的聯(lián)合作用下，陽(yáng)極金屬溶解，在（從螺帽起計(jì)）第2和第3螺紋的根部的應(yīng)力集中部位發(fā)生腐蝕，并引起開(kāi)裂，啟裂區(qū)為A區(qū)和B區(qū)；

（2）裂紋擴(kuò)展，這一階段主要表現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，與陽(yáng)極溶解對(duì)應(yīng)的陰極過(guò)程為析氫反應(yīng)，氫原子擴(kuò)散到裂紋尖端處，使得材料在較低應(yīng)力水平發(fā)生微裂紋萌生和啟裂擴(kuò)展，因此斷口微觀可見(jiàn)“雞爪紋”和“氫氣孔”等氫脆特征，見(jiàn)C區(qū)和D區(qū)；

（3）快速失穩(wěn)斷裂，隨著應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展，螺栓的實(shí)際承載面積不足，螺栓回裝過(guò)程中在扭矩的作用下快速失穩(wěn)斷裂，斷口為韌性斷裂，明顯可見(jiàn)韌窩特征。

綜上所述，螺栓啟裂部位存在氯離子，螺紋根部應(yīng)力集中部位產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，而陰極析氫反應(yīng)的氫原子擴(kuò)散并聚集到裂紋尖端，使得材料在較低應(yīng)力水平發(fā)生微裂紋萌生和擴(kuò)展，直至承載截面不足并在外力扭矩的作用下發(fā)生斷裂[6]。因此，該螺栓斷裂的根本原因?yàn)槁入x子引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，而腐蝕過(guò)程的析氫反應(yīng)促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展。螺栓現(xiàn)階段使用環(huán)境中（潤(rùn)滑脂、防咬合劑）鹵素元素很低，在一定時(shí)間因鹵素引起的大范圍高強(qiáng)螺栓/螺栓應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的可能性較低。

3 結(jié)語(yǔ)

本文斷裂螺栓的化學(xué)成分、硬度和微觀組織均為合格，螺栓的斷裂主要是由于環(huán)境中存在氯離子，導(dǎo)致的其應(yīng)力集中部位發(fā)生應(yīng)力開(kāi)裂腐蝕，過(guò)程中陰極析氫反應(yīng)的氫原子促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展，最終承載截面不足并在外力扭矩的作用下發(fā)生斷裂。