分享：电站连接螺栓断裂失效分析

摘 要:采用宏观检验、化学成分分析、力学性能测试、金相检验、扫描电镜分析等方法,分析了 某核电减速机轮毂与辐条连接螺栓的断裂失效原因.结果表明:螺栓断裂是由于螺栓松动后,辐条 上下滑动,使螺栓承受较大的剪切应力,最终导致其多源双向疲劳断裂;螺栓材料中存在大量超尺 寸脆性硅酸盐类夹杂物,在一定程度上加速了疲劳裂纹的形成和扩展. 

关键词:连接螺栓;断裂;疲劳;夹杂物;失效分析 

中图分类号:TG１１５ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７７８Ｇ０４

某核电紧固螺栓用于连接鼓形滤网减速机轮毂 与辐条,材料为奥氏体不锈钢,规格为 M２４ mm× １４０mm,力学性能等级为 GB/T３０９８．６－２０１４«紧 固件机 械 性 能 不 锈 钢 螺 栓、螺 钉 和 螺 柱»要 求 的 A４Ｇ７０级.大修期间在对设备进行检查 时 发 现 有 ５个螺栓缺失,２ 个螺栓断裂,大部分螺栓已松动. 断裂螺栓现场装配位置如图１所示.为了查明该连 接螺栓失效原因,防止断裂再次发生,笔者对其进行 了检验和分析. 

１ 理化检验 

１．１ 宏观检验 

图２为断裂螺栓宏观形貌.可见螺母已丢失, 经与完整螺栓对比可见,两螺栓均断裂于螺栓头部 与光杆连接处,断口及光杆表面均覆盖有黄褐色腐蚀产物.

图３为清洗后的螺栓断口宏观形貌.由图３可 见:两断口形貌相似,断面平齐,几乎看不到塑性变 形;断口中部为瞬断区,该区面积较小,略微凸起,呈 细长条状;断裂源位于螺栓外表面,断口边缘分布有 较多的放射状台阶,整个断口呈明显的多源双向疲 劳断裂特征[１]. 

１．２ 常规理化检验 

在断裂螺栓上取样进行化学成分、室温拉伸、非金属夹杂物、显微组织等检验分析.表１和表 ２分 别为化学成分分析和室温拉伸试验结果.非金属夹 杂物含量按照 GB/T１０５６１－２００５«钢中非金属夹 杂物含量的测定———标准评级图显微检验法»中的 A 法进行评定.

由表１和表２可见,断裂螺栓的化学成分及室 温拉 伸 性 能 均 符 合 GB/T３０９８．６－２０１４ 技 术 要求.

由图４可见,两螺栓组织中均存在较多的非金属 夹杂物.其中黑色长条状夹杂物为硅酸盐类夹杂物, 非金属夹杂物含量评定结果为:A１,B０,C３e,D２. 

图５为断裂螺栓显微组织形貌,侵蚀剂为王水, 检验设备为ZeissAxiovert２００MAT 倒置万能材料 显微镜.由图５可见,螺栓显微组织为奥氏体＋少 量条状铁素体,未见明显组织异常.

在同批次未断裂螺栓头部与光杆连接部位取样, 制成金相试样后在显微镜下观察,如图６所示.可见 螺 栓头部与光杆连接部位的过渡圆角呈钝角,且过渡圆滑,加工流线形态较好,未发现明显的结构异常.

１．３ 断口微观分析

两失效螺栓断口形貌相似,取失效螺栓１断口置 于 TESCAN VEGA５１３６扫描电子显微镜(SEM)下 观察,如图７所示.断口边缘启裂区可见放射状台 阶,属多源断裂,见图７a);两侧扩展区有明显的疲劳 条带,呈明显的疲劳断裂特征[２],见图７b);瞬断区面 积较小,微观上呈韧窝形貌,见图７c).

图８为断口附近黄褐色腐蚀产物能谱(EDS)分 析结果.可见腐蚀产物主要为铁的氧化物,未见有 腐蚀性元素存在,说明腐蚀不是引起螺栓疲劳断裂 的主要原因[３].

２ 综合分析 

由上述理化检验结果可见:失效螺栓的化学成分、室温拉伸性能均符合 GB/T３０９８．６－２０１４技术 要求;螺栓显微组织为奥氏体＋少量铁素体,组织中 存在较多的非金属夹杂物,尤其是硅酸盐类夹杂物 含量较高,且部分夹杂物超尺寸. 

硅酸盐类夹杂物为脆性夹杂物,与钢基体之间 在物理性能及变形能力等方面均存在较大差异,且 破坏了钢基体的均匀连续性,降低了钢材的力学性 能,尤其是降低了钢材的塑性、韧性和疲劳极限[４]. 螺栓头部在镦制成型时,头部与光杆连接部位的组 织和夹杂物随头部镦粗而趋于横向分布,降低了该 处的综合力学性能,且由于夹杂物变形能力较差,在 钢与夹杂物界面处形成了显微裂纹,螺栓受力时,这 些显微裂纹成为疲劳破坏的启裂源[５].若密集的夹 杂物暴露 于 螺 栓 表 面,将 加 速 疲 劳 裂 纹 的 形 成 和 扩展. 

断口附近腐蚀产物能谱分析结果显示未见有腐 蚀性元素存在,表明腐蚀不是引起螺栓断裂的主要原因.

螺栓断口分析结果表明,螺栓断裂形式为多源 双向疲劳断裂.结合现场检修情况可知,该设备大 部分螺栓已松动,设备转动时,鼓形滤网辐条上下滑 移,对螺栓产生了较大的剪切应力,循环往复,最终 导致螺栓双向疲劳断裂[６].导致螺栓松动的可能原 因较多,设备运行过程中的振动、高低载荷变化、冲 击、安装时预紧力过低、未采取适当的防松措施、装 配方法不得当等,都有可能引起螺栓松动[７].

３ 结论及建议 

螺栓断裂形式为多源双向疲劳断裂.造成螺栓 断裂的主要原因为螺栓松动后,设备旋转过程中鼓 形滤网辐条上下滑动,使螺栓承受较大的剪切应力, 并最终导致螺栓双向疲劳断裂;螺栓组织中的大量 超尺寸硅酸盐类夹杂物在一定程度上加速了疲劳裂 纹的形成和扩展. 

建议提升螺栓原材料生产质量,将原材料组织 中的非金属夹杂物含量和尺寸控制在合理水平;螺 栓安装时应遵循一定的紧固顺序原则,并采取防松 措施,例如增加防松垫圈、定期进行力矩校核和拧紧 等. 

参考文献: 

[１] 潘春旭,张栋．失 效 分 析 [M]．北 京:国 防 工 业 出 版 社,２００４．

[２] 孟文华,曾伟传,顾静青,等．１０．９级螺栓早期疲劳断 裂失效分析[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(４): ３６５Ｇ３６７． 

[３] 姜爱华,陈 亮,师 红 旗,等．螺 栓 疲 劳 断 裂 失 效 分 析 [J]．热加工工艺,２０１３,４２(２):２２２Ｇ２２３． 

[４] 王磊,陈学广,裴海祥．柴油机用高强度螺栓断裂失 效分析[J]．理化检验(物理分册),２０１６,５２(６):４３１Ｇ ４３４． 

[５] 丁惠麟,金 荣 芳．机 械 零 件 缺 陷、失 效 分 析 与 实 例 [M]．北京:化学工业出版社,２０１３． 

[６] 包锡桂．某挖掘机高强螺栓断裂原因分析[J]．理化检 验(物理分册),２０１７,５３(３):２０４Ｇ２０７． 

[７] 谢雁成．浅析装配螺栓松动原因及防松措施[J]．装备 制造技术,２０１５(４):１７３Ｇ１７５． 

文章来源——材料与测试网