氣閘門頂軸斷裂原因

程 健, 方可偉 , 羅坤杰, 張度寶, 費克勛

(1.蘇州熱工研究院有限公司, 蘇州 215004; 2.國家核電廠安全及可靠性工程技術研究中心, 蘇州 215004)

核電廠核島8 m氣閘門是核電人員進出核反應堆的重要通道,可防止放射性氣體泄漏。某氣閘門防逆機構頂軸槽口位置發生斷裂,該頂軸一端為萬向滾珠,可防止氣閘門關閉時與擋板直接發生碰撞,另一端為連接棘爪的槽口。斷裂位置為槽口根部,頂軸材料為45鋼,其熱處理狀態為表面淬火。

45鋼的性價比較高,是一種優質碳素結構鋼,有著較好的綜合力學性能,其成本低,主要用于制造各種機械零部件,特別是軸、齒輪、軸、泵的活塞等[1-5]。這些零部件表面具有高硬度和高耐磨性,其內部具有高強度和高韌性。金屬材料的性能與成分和組織結構有關,改善微觀組織能夠符合材料的性能要求[6]。控制合金元素含量與設計不同的熱處理工藝可控制金屬的相變,使金屬獲得不同的微觀結構,從而引起其性能變化[7],45鋼的淬透性低,且碳元素含量過高,在感應加熱表面淬火時,可能引起裂紋。一般將45鋼的碳元素質量分數控制為0.42%～0.47%,其淬火后的硬度一般為55～60 HRC[8]。

采用優良的熱處理工藝可以使中碳鋼的性能優異,但如果熱處理工藝不達標,可能使中碳鋼出現淬火開裂、魏氏體組織以及塊狀或網狀鐵素體組織,這些都會造成材料塑性、沖擊韌性以及強度的急劇降低。某核電廠氣閘門頂軸發生斷裂,筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、硬度測試、金相檢驗和斷口分析等方法研究其斷裂原因,以防止該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂頂軸的宏觀形貌如圖1所示,由圖1可知:斷裂起源于槽口位置下方3～5 mm外表面處,并逐步向槽口位置擴展;斷口未見明顯的塑性變形,呈脆性斷裂特征;斷口較平整,整體呈灰黑色;外表面斷裂起源位置呈2～3 mm臺階狀特征;擴展區傾斜向上,表面光滑且顏色較暗,與頂軸軸線呈約45°,逐漸由邊緣向槽口擴展。

圖1 斷裂頂軸的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

采用火花光譜儀對靠近頂軸的桿部進行化學成分分析,結果如表1所示,結果表明:頂軸的碳元素含量略高于GB/T 699—2015 《優質碳素結構鋼》對45鋼的要求。

表1 靠近預軸斷口桿部的化學成分分析結果 %

1.3 硬度測試

根據GB/T 5617—2005 《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》測試斷裂頂軸桿部的淬火層深度。第一個測量點距離表面0.2 mm,每隔0.2 mm測量一個點,共測量15個點,距離邊緣3 mm(頂軸桿部直徑約20 mm),結果如表2所示。

表2 斷裂頂軸桿部的硬度測試結果

由表2可知:材料的顯微維氏硬度隨著測試深度的不同而變化,材料表面硬度偏低,中部稍微偏大且比較穩定,沒有表面淬火的跡象,根據GB/T 1172 —1999 《黑色金屬硬度及強度換算值》,淬火后45鋼的硬度一般大于55 HRC(596 HV)。

1.4 金相檢驗

根據GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》與GB/T 38720—2020 《中碳鋼與中碳合金結構鋼淬火金相組織檢驗》,頂軸材料的顯微組織邊緣與心部稍有區別,未見淬火馬氏體組織(見圖2),由圖2可知:頂軸邊緣的顯微組織為粗網狀鐵素體+索氏體;頂桿中間半徑處的顯微組織為半網狀鐵素體+索氏體;頂軸心部的顯微組織為網狀鐵素體+索氏體。

圖2 頂軸顯微組織形貌

1.5 斷口分析

頂軸斷口附近有明顯的冰糖狀形貌,且有多處類似開裂源形貌,呈沿晶脆性斷裂特征。同時,頂軸表面有輕微磨損痕跡,結合宏觀觀察結果,推斷磨損處為裂紋開裂區域。

用掃描電鏡(SEM)檢測斷口形貌,檢測位置如圖3所示,SEM形貌如圖4所示,由圖4可知:8～10區域附近的斷口清晰度下降,沿晶斷裂特征不明顯,且斷面多處有磨損跡象,推測該區域為最后斷裂區域。

圖3 斷口檢測位置示意

圖4 試樣斷口SEM形貌

2 綜合分析

頂軸材料的顯微組織存在網狀先共析鐵素體,網狀先共析鐵素鐵降低了材料的強度與沖擊韌性。此外,頂軸材料中碳元素含量偏高,不符合標準要求,會造成材料強度與硬度的升高,同時材料的塑性與沖擊韌性降低。

導致頂軸斷裂的應力來源主要包含兩個方面:一方面為服役過程中產生的外部應力,一方面為部件結構造成的應力集中。在正常情況下,開關過程中氣閘門防逆機構運轉,頂軸一端萬向滾珠首先與擋板接觸,這時頂軸受力極小。在實際服役過程中,氣閘門關閉時,其頂軸一端萬向滾珠束縛槽邊緣首先與擋板直接發生碰撞,這將會導致頂軸受到較大的剪切力;同時,凹槽結構造成局部應力集中。兩者共同作用使頂軸斷裂。

3 結論

斷裂材料的顯微組織沒有明顯的淬火組織(馬氏體),且表面維氏硬度偏低,說明沒有對頂軸材料進行表面淬火。頂軸材料的顯微組織存在網狀先共析鐵素體與索氏體,網狀先共析鐵素鐵降低了材料的強度與沖擊韌性。此外,頂軸材料中碳元素含量偏高,不符合要求,會造成材料的強度與硬度升高,但也會使材料的塑性與沖擊韌性降低,最終材料在受到切向應力的工況下發生了脆性斷裂。