Page 73 - 理化检验-物理分册2022年第九期

廖雪波, 等: 某核电厂海水循环泵齿轮箱连接螺栓断裂原因

螺栓六角头多采用镦头成形的加工方式, 在镦 1.3 化学成分分析
头成形过程中, 螺栓的加热方式为局部加热。在加 采用火花光谱仪对螺栓靠近断口的杆部进行化
热过程中, 加热速率过慢或在高温区域停留时间过 学成分分析, 结果如表 1 所示, 可知断裂螺栓的元素

长会使 Fe 3 C 在高温下与 O 2 H 2O 等发生反应, 表 含量符合 GB / T3098.23 — 2020 《 紧固件机械性能
,
面组织中 Fe 3 C 减少使螺栓边缘及 R 角处的铁素体 螺栓、 螺钉和螺柱》 对 10.9 级碳钢的要求。
含量增加, 造成六角头位置表面半脱碳, 形成厚度约 1.4 硬度测试

为100 μ m~150 μ m 的铁素体 + 索氏体层。铁素体 对断裂螺栓R 角处半脱碳区域进行硬度测试, 结果
的存在降低了材料表面的硬度, 使得 R 角处容易因 如表2所示。由表2可知, R 角处半脱碳区域硬度分布
摩擦而发生划伤, 同时还降低了螺栓表面的疲劳强 不均匀, 半脱碳区域中铁素体含量较多的位置( 表面) 硬
度, 使螺栓产生疲劳裂纹。 度较低, 索氏体含量较多的位置( 次表面) 硬度较高。
表 1 螺栓杆部的化学成分分析结果 %
质量分数
项目
C P S B Si Mn Cr Ni Mo H

实测值 0.40 <0.010 <0.010 - 0.25 0.80 0.78 1.83 0.35 0.00025
标准值 0.20~0.55 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.003 - - ≥0.30 ≥0.30 ≥0.20 -

表 2 断裂螺栓 R 角处半脱碳区域硬度测试结果 HV 光滑, 无明显的塑性变形, 扩展区靠近边缘位置存在
测试位置 实测值 1 实测值 2 实测值 3 大量疲劳辉纹, 辉纹细腻紧密, 说明裂纹扩展速率较
表面 277 273 244 慢, 呈疲劳特征; 随着扩展区向内部推进, 疲劳辉纹
次表面 290 312 309 呈短粗状分布, 断口呈准解理特征分布。
由图 4e ) 可 知: 终 断 区 面 积 较 大, 约 占 断 口 总
1.5 SEM 及能谱分析
面积的 3 / 4 , 表面 呈 颗 粒 状, 颗 粒 形 态 呈 现 由 过 渡
图4 为断口的 SEM 形貌。由图 4a ), 4b ) 可知:
区向螺栓 另 一 端 撕 裂 状, 为 典 型 的 过 载 瞬 断 断 口
裂纹起源于 R 角根部, 呈台阶状, 由螺栓外表面向
形貌。断口 特 征 为 等 轴 状 韧 窝, 少 数 韧 窝 中 存 在
内部扩展; 裂纹源区侧面( 靠近断口的 R 角根部) 存
非金属夹杂物, 可见 该裂纹扩展时主 要 承 受 拉 伸 -
在严重的摩擦及挤压痕迹, 摩擦处呈现平行或垂直
弯曲交变应力。疲劳断面与瞬断断面之间分界明
于螺栓轴线的沟壑状, 摩擦或挤压区域存在大量微
显,可见螺栓疲劳开裂后, 在某一瞬间因承受过载
裂纹, 裂纹多垂直于螺栓轴线方向, 少数裂纹与螺栓
应力而突然断裂。
轴线方向呈一定角度分布。
图 5 为断口侧面的 EDS 分析结果, 可知靠近断
由图 4c ), 4d ) 可知: 裂纹扩展区呈半月状, 表面

图 4 断口的 SEM 形貌
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