核電廠齒輪箱蝸輪固定螺栓斷裂失效分析

徐 科 胡明磊 宋逢兵 吳唯潔

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

螺栓緊固件常用于緊固聯接兩個帶有通孔的零件，是不可缺少的機械零件，廣泛用于汽車、內燃機、航空、核電機組等眾多機械行業的裝配中[1-3]。國內某核電廠對裝卸料機橋架系統的橋架滾珠螺母齒輪箱檢修，在對蝸輪進行更換時，當擰緊力矩80 lbf（要求范圍95～105 lbf）時，出現蝸輪固定螺栓斷裂，如圖1所示。固定螺栓屬于橋架滾珠螺母齒輪箱，在服役過程中螺栓處于受拉狀態，蝸輪蝸桿的徑向間隙較大，螺栓規格為1/2-13UNC×1 1/4。

圖1 蝸輪固定螺栓斷裂及裝配位置

1 理化試驗

1.1 宏觀形貌

螺栓開裂位于螺紋段，圖2為螺栓斷口照片，可見螺栓整體顏色分層明顯，啟裂區位于斷口邊緣螺紋牙底部位，斷面可見兩處裂紋源，顏色呈深黑色；擴展區可看到明顯的放射棱，顏色由深逐漸變淺；瞬斷區可觀察到剪切唇，顏色呈淺灰色。

圖2 斷裂螺栓斷口實物圖

1.2 化學成分分析

采用火花直讀光譜儀依照ASTM E415-2017標準對螺栓進行化學成分分析，其結果如表2所示，其碳含量0.37%，鉻、鎳、鉬等合金元素總含量低于0.5%。對比試驗檢測結果和標準，該螺栓材料化學成分基本符合ASME SA574 成分控制要求，其中Mn 0.94%略高于規定值0.93%；符合GB 3098.1 螺栓化學成分控制要求。

表2 固定螺栓化學成分測試結果（wt%）及熱處理要求

1.3 硬度測試

依照GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對螺栓進行維氏硬度測試，測試位置為R/2處，選擇HV0.3公斤力，測試結果為420、418、419，符合GB/T3098.1中12.9級螺栓385～435HV的硬度要求。

1.4 顯微組織測試

依照GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》對螺栓進行金相檢驗，結果如圖3所示，顯微組織為回火索氏體。觀察顯微組織照片，該螺栓組織均勻，沒有明顯粗大或異常的組織。

圖3 金相檢驗結果（500X）

依照GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定－標準評級圖顯微檢驗法》對螺栓進行非金屬夾雜物測試，其表面沒有顯著的夾雜物，依據標準判定該螺栓夾雜物為D0.5級，對螺栓性能無影響。

1.5 微觀形貌觀察

斷口的低倍形貌如圖4所示。可見斷面存在兩處裂紋源（圖中A處和B處），均位于螺紋牙底部位，并且兩處裂紋源附近斷面均可見明顯腐蝕痕跡。

圖4 斷口形貌

斷口各區域微觀形貌如圖5所示。斷面A區和B區微觀形貌相同，斷口顏色深且邊緣被腐蝕產物覆蓋，斷口呈“冰糖狀”沿晶開裂，且呈弧形狀向內部擴展，均為斷口的啟裂區。C區和D區微觀形貌，主斷面以“冰糖狀”沿晶開裂形貌為主，個別晶面顯示有“氫氣孔”及呈“雞爪紋”形態的穿晶解理，有氫脆特征，C區為A區的裂紋擴展區，D區為B區的裂紋擴展區。斷面E區和F區斷口微觀形貌呈韌窩狀，為韌性斷裂特征，E區為快速擴展區，F區為瞬斷區。

圖5 分布器裝置示意圖

圖5 斷口各區域微觀形貌

對A區和B區進行能譜分析，A區和B區能譜分析結果，可見均含有為C、Si、Fe、Mn、S、Cr、Zn、O、Cl等元素，A區的O元素含量占31.48%wt，Cl元素0.15%wt；B區的O元素含量占32.02%wt， Cl元素0.57%。在能譜分析前采用丙酮對觀測試樣進行了超聲波清洗，可以排除外來氯離子的引入可能。能譜結果說明螺栓啟裂區有少量Cl元素的存在，螺栓的斷裂是由應力開裂所導致的。

2 分析與討論

螺栓的化學成分、硬度、顯組織符合標準要求，同批次螺栓氫脆斷裂可能性較小且材料性能未發現明顯脆化，因此可以排除材料不合格或者材料老化是引起螺栓斷裂主要因素。現階段使用環境中（潤滑脂、防咬合劑）鹵素含量很低（低于檢測閾值），但仍可能存在極少量（低于50ppm）鹵素。本次斷裂螺栓斷口啟裂區檢測出氯離子，可能為螺栓儲運、保養、清潔等安裝過程中引入的危害元素[4,5]。

拆卸時發現蝸輪蝸桿的徑向間隙較大，導致蝸輪和螺栓產生相對運動，在螺栓斷裂部位形成拉伸和剪切復合作用。從斷口顏色和形貌來看，螺栓斷裂存在啟裂、擴展和瞬斷三個典型區域，該螺栓斷裂可分為三個階段：

（1）啟裂，主要為氯致應力腐蝕開裂。螺栓在拉剪應力和氯離子環境的聯合作用下，陽極金屬溶解，在（從螺帽起計）第2和第3螺紋的根部的應力集中部位發生腐蝕，并引起開裂，啟裂區為A區和B區；

（2）裂紋擴展，這一階段主要表現為應力腐蝕開裂，與陽極溶解對應的陰極過程為析氫反應，氫原子擴散到裂紋尖端處，使得材料在較低應力水平發生微裂紋萌生和啟裂擴展，因此斷口微觀可見“雞爪紋”和“氫氣孔”等氫脆特征，見C區和D區；

（3）快速失穩斷裂，隨著應力腐蝕裂紋的擴展，螺栓的實際承載面積不足，螺栓回裝過程中在扭矩的作用下快速失穩斷裂，斷口為韌性斷裂，明顯可見韌窩特征。

綜上所述，螺栓啟裂部位存在氯離子，螺紋根部應力集中部位產生應力腐蝕開裂，而陰極析氫反應的氫原子擴散并聚集到裂紋尖端，使得材料在較低應力水平發生微裂紋萌生和擴展，直至承載截面不足并在外力扭矩的作用下發生斷裂[6]。因此，該螺栓斷裂的根本原因為氯離子引起的應力腐蝕開裂，而腐蝕過程的析氫反應促進了裂紋擴展。螺栓現階段使用環境中（潤滑脂、防咬合劑）鹵素元素很低，在一定時間因鹵素引起的大范圍高強螺栓/螺栓應力腐蝕開裂的可能性較低。

3 結語

本文斷裂螺栓的化學成分、硬度和微觀組織均為合格，螺栓的斷裂主要是由于環境中存在氯離子，導致的其應力集中部位發生應力開裂腐蝕，過程中陰極析氫反應的氫原子促進了裂紋的擴展，最終承載截面不足并在外力扭矩的作用下發生斷裂。