Page 74 - 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

图 5 断口侧面的 EDS分析结果
口侧面主要元素为 Fe , 未见 Zn元素, 随着与断口的 该螺栓用于齿轮箱内齿圈与箱体法兰, 长期承
距离变大, Zn元素含量逐渐增加。表明螺栓表面存 受持续的振动应力和循环交变应力, 造成了 R 角微
在镀锌层, 该区域发生了严重摩擦现象, 表面镀锌层 裂纹处应力叠加或应力集中, 从而导致疲劳裂纹的
因摩擦而发生脱落。 产生。当疲劳裂纹扩展面积约占表面的 25% 时, 剩
余面积无法承载因螺栓紧固及振动而产生的拉应
2 综合分析
力, 最终导致螺栓过载断裂。
上述理化检验结果表明, 该断裂螺栓的化学成
3 结论

分、 硬度 及 力 学 性 能 均 满 足 GB / T3098.23 — 2020
对 10.9 级螺栓的要求。金相检验结果显示, 螺栓心 该 10.9 级螺栓的断裂性质为疲劳断裂, 断裂原
部组织与边缘及 R 角处的组织存在较大差别, 心部 因为螺栓表面脱碳层中铁素体的存在降低了螺栓的
组织为回火索氏体, 边缘及 R 角处的组织为索氏体 表面硬度和耐磨性, 螺栓在拆装过程中与螺栓孔边
+ 铁素体, 表明六角头边缘及 R 角处发生了脱碳。 缘发生摩擦并产生了折叠或微裂纹, 这些折叠或微
螺栓螺纹处脱碳层检测结果显示, 六角头边缘及 R 裂纹成为螺栓早期裂纹形成与扩展的疲劳源。
角处脱碳并非产生于螺栓热处理过程中, 而是产生
参考文献:
于六角头热镦成形过程中, 且这一过程中六角头加
热缓慢或在高温处停留时间过长, 导致 Fe 3 C 在高 [ 1 ] 文学 . 海水循环泵异常振动故障分析与处理[ J ] . 设备
,
温下与 O 2 H 2O 等发生反应, 使螺栓内部的 Fe 3 C 管理与维修, 2019 ( 17 ): 163-165.
减少, 从而增加了螺栓边缘及 R 角处的铁素体相, [ 2 ] 吴勇, 陈琴珠, 邹慧君 . 摩擦离合器螺栓联接预紧力对
疲劳寿命的影响[ J ] . 机械设计与研究, 2012 , 28 ( 6 ):
引起了脱碳。脱碳层的存在使得螺栓边缘处疲劳强
67-69.
度降低, 容易引发微裂纹。
[ 3 ] 吴继权, 赵昆玉, 沈 创 谦 .40ACR 高 强 螺 栓 断 裂 原 因
根据螺栓断口宏观及微观分析结果可知, 断口
分析[ J ] . 理 化 检 验 ( 物 理 分 册 ), 2015 , 51 ( 3 ): 203-
呈疲劳断裂特征。裂纹源区侧面存在严重的摩擦及
205.
挤压痕迹, 摩擦处呈现平行或垂直于螺栓轴线的沟 [ 4 ] 韩克甲, 赵晓辉, 李洪伟 .35CrMo 钢高强螺栓断裂失
壑状。发生摩擦或挤压的区域内存在大量微裂纹, 效分析[ J ] . 理 化 检 验( 物 理 分 册), 2017 , 53 ( 6 ): 434-
裂纹多垂直于螺栓轴线方向分布。结合 EDS 分析 436.
可知, 未发生摩擦或挤压区域的表面存在镀锌层, 而 [ 5 ] 吴玉枝, 陈云祥, 厉晓航 .10.9 级高强螺栓断裂失效分
发生摩擦或挤压区域的金属裸露在外, 未发现镀锌 析[ J ] . 金属热处理, 2009 , 34 ( 11 ): 108-110.

层。由此可推断, 裂纹源区侧面摩擦或挤压痕迹为 [ 6 ] GONZÁLEZ P V , MURO A P , GARCÍA-

安装或服役过程中产生的, 摩擦或挤压区域位于六 MARTÍNEZ M.Failureanal y sisstud yonafractured

bolt [ J ] .En g ineerin g Failure Anal y sis , 2020 , 109 :
角头脱碳部位, 脱碳层的存在使材料表面硬度及耐
104355.
磨性降低, 导致 R 角在与法兰螺栓孔边缘接触过程
[ 7 ] 王荣 . 高强度螺栓表面开裂原因分析[ J ] . 物 理 测 试,
中, 因摩擦而产生折叠或微裂纹, 这些折叠或微裂纹
2010 , 28 ( 4 ): 37-41.
成为螺栓早期裂纹形成与扩展的疲劳源。

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