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    嚴重!核電廠柴油發電機用緊固螺栓斷裂

       2022-02-23 《金屬加工(熱加工)》雜志530
    核心提示:高強螺栓是許多機械產品中必不可少的基礎性零件,廣泛應用于航空航天、核工業等領域的各種機械產品與裝備,并承擔著極其重要的緊

    高強螺栓是許多機械產品中必不可少的基礎性零件,廣泛應用于航空航天、核工業等領域的各種機械產品與裝備,并承擔著極其重要的緊固聯接作用,因此螺栓的失效往往會帶來非常嚴重的后果。本文中斷裂的螺栓為發電機慣性飛輪聯接螺栓,總共6根螺栓,其中3根在進行規定力矩緊固過程中出現斷裂,該螺栓的斷裂將造成慣性飛輪與發電機驅動軸聯接失效,最終導致發電機不可用。筆者通過對失效螺栓進行宏觀檢查、化學成分分析、金相分析、力學性能等試驗,對其斷裂進行原因分析,并提出了改進建議。

    1. 試驗過程與結果

    (1)宏觀檢驗

    螺栓編號為1、2、3、4、5,其中1號和2號螺栓未斷裂,3號、5號螺栓斷裂發生在車削螺紋的退刀槽處,螺紋根部與螺柱相接倒角處,4號螺栓斷裂位置位于第3~4螺紋牙底處。斷裂螺栓的斷口宏觀形貌如圖1所示。

    圖1 1~5號螺栓整體形貌

    斷口表面光潔,無明顯的腐蝕產物;斷口不齊整,其所在平面中心區域凹凸不平,整個斷口表面呈現脆性扭轉斷裂特征。經測量,螺紋桿與光桿聯接處圓角半徑為519.48μm,且該位置存在粗糙的機械加工痕跡(見圖2)。參考GB/T 5782—2016《六角頭螺栓》要求,螺紋規格為M12的螺栓,其過渡部分圓角半徑最小值為0.6mm。失效螺栓在螺紋桿與光桿聯接處圓角與標準要求不符,且表面機械加工粗糙,容易形成應力集中,當應力超過其斷裂強度時,容易在應力集中的薄弱處發生斷裂。

    圖2 螺紋桿和光桿過渡處倒角及表面形貌

    (2)化學成分分析

    螺栓材料化學成分分析結果如表1所示。5根送檢螺栓中2號、3號螺栓化學成分中硫元素超標,不滿足GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對8.8級螺栓的材質要求,其他螺栓雖然S含量滿足標準要求,但基本接近上限。

    表1 送檢螺栓材料的化學成分(質量分數)檢測結果 (%)

    (3)金相檢驗

    對斷裂螺栓進行顯微組織分析,如圖3所示。螺栓金相組織為珠光體+沿奧氏體晶界分布的鐵素體,縱向存在軋制態帶狀組織,珠光體與鐵素體含量相當。根據GB/T3098.1—2010規定8.8級高強螺栓需進行調質處理,從而獲得回火索氏體,才能達到力學性能所規定的各項要求。顯然,斷裂螺栓基體金相組織與標準要求不符,說明該批螺栓制造過程中未進行調質處理。

    圖3 斷裂螺栓金相組織

    (4)力學性能測試

    斷裂螺栓橫截面硬度檢測結果如表2所示。GB/T 3098.1—2010中規定了8.8級螺栓(螺栓直徑≤16mm)布氏硬度最小值為238HBW,最大值為328HBW,表2中測量結果顯示螺栓材料硬度符合標準要求。

    表2 斷裂螺栓硬度檢測結果 (HBW)

    對1號螺栓進行室溫拉伸性能檢驗,結果如表3所示。根據GB/T 3098.1—2010力學性能為8.8級的螺栓抗拉強度Rm≥800MPa、屈服強度RP0.2≥640MPa、斷后伸長率A≥12%、斷面收縮率Z≥52%。送檢螺栓抗拉強度Rm=807MPa、屈服強度RP0.2=791MPa,符合標準要求。一般認為屈強比保持在0.8~0.85時有較好的綜合力學性能,送檢螺栓屈強比為0.98,接近于1,表明材料的抗變形能力較強,塑韌性較差,因此斷后伸長率和斷面收縮率低于標準要求。

    表3 螺栓室溫拉伸性能

    (5)斷口微觀分析

    如圖4所示,是由掃描電鏡微觀觀察的照片,可以看出斷口宏觀上有明顯的臺階狀特征,微觀上呈解理+少量韌窩特征;1區為啟裂區,2區和3區為擴展區,微觀上呈現明顯的解理特征,4區、5區為終斷區,微觀上可見韌窩形貌。斷口在低倍下整體呈現旋轉擴展的趨勢,韌窩方向性明顯。

    圖4 螺栓斷口表面形貌

    2. 分析與討論

    宏觀分析發現斷裂的3根螺栓中,2根螺栓斷裂于螺紋桿與光桿聯接處,另一根螺栓斷裂于第3~4個螺牙牙底處。未斷裂螺栓在退刀槽處發現明顯的機械加工痕跡,且表面粗糙。根據GB/T 5782—2016要求,8.8級M12螺栓最大公稱直徑為12.00mm,且螺紋桿與無螺紋桿聯接處圓滑過渡,其過渡部分圓角半徑最小值為0.6mm。而所提供的失效螺栓螺紋桿徑為11.85mm,無螺紋桿徑為13.98mm,螺紋桿與無螺紋桿聯接處圓角半徑為519.48μm,該圓角與標準要求不符。

    根據GB/T3098.1—2010規定,力學性能為8.8級的螺栓需要經過調質處理,以獲得回火索氏體,才能達到標準規定的各項力學性能要求。斷裂螺栓的顯微組織為珠光體+沿奧氏體晶界分布的鐵素體,縱向存在軋制態帶狀組織,顯然其金相組織不符合標準要求。疑為原始棒材直接經機加工而成,并未進行后續調質熱處理。

    對于金相組織為鐵素體+珠光體的碳素鋼部件,其力學性能主要取決于珠光體及鐵素體的相對含量、珠光體片層厚度、晶粒大小等。金相組織分析發現送檢螺栓珠光體與鐵素體含量相當,且珠光片層粗大、厚度不均。當碳素鋼中的珠光體與鐵素體含量相當時,受強大剪切應力作用時,裂紋的擴展將無法沿表面能較低的鐵素體進行,而是通過撕裂珠光體的形式進行,其力學性能受珠光體解理開裂強度的制約,根據現場檢修人員反饋,螺栓是在回裝擰緊過程中出現斷裂,當螺栓承受扭轉應力載荷時,螺栓各點處均處于剪應力狀態,結合力學性能數據來看,螺栓存在脆性過大、韌性明顯不足的問題,表現在斷口上即出現解理斷裂模式。

    3. 結論與建議

    通過以上分析可知,該批送檢螺栓在制造過程中未進行調質處理,未達到理想態的顯微組織,從而致使基體強度較低,塑韌性不足,這是造成送檢螺栓斷裂失效的主要原因。

    建議加強螺栓產品的入廠檢驗工作,確保所采購螺栓按照標準要求進行生產。加工螺栓零件時,嚴格按照標準要求控制過渡圓角半徑,并用滾輪滾壓螺紋牙根凹處和螺紋桿與光桿交接處圓角,減輕應力集中。


     
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