摘 要:采用宏觀分析、化學成分分析、力學性能試驗、金相分析、斷口掃描電鏡及能譜分析等方 法,對某１０００MW 核電機組進口主蒸汽隔離閥基板塊螺栓裂紋性質進行了分析.結果表明:螺栓 裂紋為鍛造(軋制)過程中形成的裂縫. 

關鍵詞:核電;螺栓;鍛造裂縫 

中圖分類號:TL４８;TG１４２．２３          文獻標志碼:B        文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６１５Ｇ０３

材料為 ASTM A１９３Gr．B７鋼的某核電機組進 口主蒸汽隔離閥基板塊螺栓,在檢修時發現端面存 在縱向裂紋,螺栓實測總長度為１７０mm,螺桿外徑 為１９．０mm,螺栓頭外徑為２８．５mm.螺栓服役環 境溫度約２００ ℃,采用力矩扳手安裝,加載力矩為 ４４７N??m.筆者對開裂螺栓進行了檢驗和分析,以查 明其裂紋產生原因,避免類似失效的再發生.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀分析 

失效螺栓宏觀形貌見圖１,可見裂紋位于螺栓 螺紋端頂面,呈彎曲走向,且沿頂面中間縱向開裂, 裂紋在螺紋端兩側表面長度分別為８．１,６．９mm. 

１．２ 化學成分分析 

對失效 螺 栓 取 樣 進 行 化 學 成 分 分 析,結 果 如 表１所示,可 見 各 元 素 含 量 均 符 合 ASTM A１９３/A１９３M －１７ Standard Specificationfor AlloyＧ Steel and Stainless Steel Bolting for High TemperatureorHighPressureServiceandOther SpecialPurposeApplications對 B７合金鋼螺栓成 分的規定. 

１．３ 力學性能試驗 

在失效螺栓上制取１個拉伸試樣、１個硬度試 樣,分別進行拉伸和硬度試驗,結果見表２.可見螺 栓材料室溫下的規定塑性延伸強度、抗拉強度、斷后 伸長 率、斷 面 收 縮 率 和 維 氏 硬 度 均 符 合 ASTM A１９３/A１９３M－１７對 B７合金鋼新螺栓的規定. 

１．４ 金相分析 

分別在失 效 螺 栓 上 取 縱 向 和 橫 向 金 相 試 樣, 磨 制、拋光、化學侵蝕后在光學顯微鏡下觀察.由圖２可見:斷口源區附近存在少量二次裂紋,整個 裂紋面上均 存 在 一 層 全 脫 碳 層,全 脫 碳 層 的 顯 微 組織為鐵素 體;裂 紋 斷 口 頂 面 附 近 存 在 較 厚 的 氧 化物;螺栓顯微組織為回火馬氏體,且呈明顯的沿 螺栓軸向分 布 的 帶 狀 形 態,表 明 螺 栓 顯 微 組 織 雖 正常,但狀態不理想;螺栓基體顯微組織與斷口附 近顯微組織無明顯差異.

１．５ 斷口掃描電鏡分析 

將失效螺栓沿裂紋面打開形成斷口.由圖３可 見:裂紋斷口呈縱向木紋狀花樣,裂紋斷口表面覆蓋 著一層氧化物,頂面附近裂紋斷口表面的氧化物厚 度明顯大于遠離頂面處的;裂紋斷口低倍下呈縱向 木紋狀花樣,可見氧化物開裂形態;高倍下頂面附近 的裂紋斷口為多個凹坑,其他區域存在較多體積型 的孔洞和一定寬度的裂縫. 

１．６ 能譜分析 

對螺栓斷口表面氧化物進行能譜(EDS)微區成 分分析,結果見圖４和表３,可見裂紋斷口表面上的 物質主要元素成分為鐵和氧.

２ 綜合分析 

螺栓裂紋位于螺紋端頂面呈彎曲走向,且沿頂 面中間縱向開裂;裂紋斷口表面覆蓋一層氧化物,微 觀下觀察可見氧化物開裂形態,頂面附近裂紋斷口 表面氧化物的厚度明顯大于遠離頂面位置的,氧化 物的主要元素成分為鐵和氧;整個裂紋面上均存在 一層全脫碳層,全脫碳層顯微組織為鐵素體;裂紋斷 口低倍下呈縱向木紋狀花樣,頂面附近的裂紋斷口為多個凹坑,其他區域斷口存在較多體積型的孔洞 和一定寬度的裂縫;綜合以上特征分析認為螺栓的 裂紋性質為鍛造(軋制)過程中形成的裂縫. 

螺栓鍛造(軋制)過程中形成的裂縫一般在高溫 時形成,鍛造變形時由于裂縫擴大并接觸空氣,故裂 縫內充有氧化物,且裂紋面兩側脫碳,顯微組織為鐵 素體.在螺栓的后續切料工序中未徹底切除鍛造 (軋制)過程中形成的裂縫,遺留在螺栓兩端頂面,故 該螺栓裂紋屬于原始缺陷[１Ｇ２].螺栓頂面的裂紋為 鍛造(軋制)過程中形成的裂縫,其長度l 和深度b 已超過 GB/T５７７９．１－２０００«緊固件表面缺陷 螺 栓、螺釘和螺柱 一般要求»中的“l≤１d,b≤０．０４d” (d 為螺紋公稱直徑)的技術要求.

３ 結論及建議 

失效螺栓裂紋性質為鍛造(軋制)過程中形成的 裂縫.建議加強新螺栓的質量檢驗,剔除存在原始 缺陷的螺栓.

參考文獻: 

[１] 張青春,趙海麗,陳琦峰,等．B７螺桿上的螺紋剝落原因 分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２００８,４４(９):５２１Ｇ５２３． 

[２] 葉圣淵,方振麟,權淑麗,等．ML２０MnTiB 高強度螺 栓頭 部 開 裂 原 因 分 析 [J]．理 化 檢 驗 (物 理 分 冊), ２００９,４５(z１):７８Ｇ８０．

<文章來源  >材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 54卷 > 8期 (pp:615-617)>