程 健, 方可偉 , 羅坤杰, 張度寶, 費(fèi)克勛
(1.蘇州熱工研究院有限公司, 蘇州 215004; 2.國家核電廠安全及可靠性工程技術(shù)研究中心, 蘇州 215004)
核電廠核島8 m氣閘門是核電人員進(jìn)出核反應(yīng)堆的重要通道,可防止放射性氣體泄漏。某氣閘門防逆機(jī)構(gòu)頂軸槽口位置發(fā)生斷裂,該頂軸一端為萬向滾珠,可防止氣閘門關(guān)閉時(shí)與擋板直接發(fā)生碰撞,另一端為連接棘爪的槽口。斷裂位置為槽口根部,頂軸材料為45鋼,其熱處理狀態(tài)為表面淬火。
45鋼的性價(jià)比較高,是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,有著較好的綜合力學(xué)性能,其成本低,主要用于制造各種機(jī)械零部件,特別是軸、齒輪、軸、泵的活塞等[1-5]。這些零部件表面具有高硬度和高耐磨性,其內(nèi)部具有高強(qiáng)度和高韌性。金屬材料的性能與成分和組織結(jié)構(gòu)有關(guān),改善微觀組織能夠符合材料的性能要求[6]??刂坪辖鹪睾颗c設(shè)計(jì)不同的熱處理工藝可控制金屬的相變,使金屬獲得不同的微觀結(jié)構(gòu),從而引起其性能變化[7],45鋼的淬透性低,且碳元素含量過高,在感應(yīng)加熱表面淬火時(shí),可能引起裂紋。一般將45鋼的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0.42%~0.47%,其淬火后的硬度一般為55~60 HRC[8]。
采用優(yōu)良的熱處理工藝可以使中碳鋼的性能優(yōu)異,但如果熱處理工藝不達(dá)標(biāo),可能使中碳鋼出現(xiàn)淬火開裂、魏氏體組織以及塊狀或網(wǎng)狀鐵素體組織,這些都會(huì)造成材料塑性、沖擊韌性以及強(qiáng)度的急劇降低。某核電廠氣閘門頂軸發(fā)生斷裂,筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢驗(yàn)和斷口分析等方法研究其斷裂原因,以防止該類問題再次發(fā)生。
斷裂頂軸的宏觀形貌如圖1所示,由圖1可知:斷裂起源于槽口位置下方3~5 mm外表面處,并逐步向槽口位置擴(kuò)展;斷口未見明顯的塑性變形,呈脆性斷裂特征;斷口較平整,整體呈灰黑色;外表面斷裂起源位置呈2~3 mm臺(tái)階狀特征;擴(kuò)展區(qū)傾斜向上,表面光滑且顏色較暗,與頂軸軸線呈約45°,逐漸由邊緣向槽口擴(kuò)展。
圖1 斷裂頂軸的宏觀形貌
采用火花光譜儀對(duì)靠近頂軸的桿部進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,結(jié)果表明:頂軸的碳元素含量略高于GB/T 699—2015 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)45鋼的要求。
表1 靠近預(yù)軸斷口桿部的化學(xué)成分分析結(jié)果 %
根據(jù)GB/T 5617—2005 《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》測試斷裂頂軸桿部的淬火層深度。第一個(gè)測量點(diǎn)距離表面0.2 mm,每隔0.2 mm測量一個(gè)點(diǎn),共測量15個(gè)點(diǎn),距離邊緣3 mm(頂軸桿部直徑約20 mm),結(jié)果如表2所示。
表2 斷裂頂軸桿部的硬度測試結(jié)果
由表2可知:材料的顯微維氏硬度隨著測試深度的不同而變化,材料表面硬度偏低,中部稍微偏大且比較穩(wěn)定,沒有表面淬火的跡象,根據(jù)GB/T 1172 —1999 《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》,淬火后45鋼的硬度一般大于55 HRC(596 HV)。
根據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》與GB/T 38720—2020 《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火金相組織檢驗(yàn)》,頂軸材料的顯微組織邊緣與心部稍有區(qū)別,未見淬火馬氏體組織(見圖2),由圖2可知:頂軸邊緣的顯微組織為粗網(wǎng)狀鐵素體+索氏體;頂桿中間半徑處的顯微組織為半網(wǎng)狀鐵素體+索氏體;頂軸心部的顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體+索氏體。
圖2 頂軸顯微組織形貌
頂軸斷口附近有明顯的冰糖狀形貌,且有多處類似開裂源形貌,呈沿晶脆性斷裂特征。同時(shí),頂軸表面有輕微磨損痕跡,結(jié)合宏觀觀察結(jié)果,推斷磨損處為裂紋開裂區(qū)域。
用掃描電鏡(SEM)檢測斷口形貌,檢測位置如圖3所示,SEM形貌如圖4所示,由圖4可知:8~10區(qū)域附近的斷口清晰度下降,沿晶斷裂特征不明顯,且斷面多處有磨損跡象,推測該區(qū)域?yàn)樽詈髷嗔褏^(qū)域。
圖3 斷口檢測位置示意
圖4 試樣斷口SEM形貌
頂軸材料的顯微組織存在網(wǎng)狀先共析鐵素體,網(wǎng)狀先共析鐵素鐵降低了材料的強(qiáng)度與沖擊韌性。此外,頂軸材料中碳元素含量偏高,不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,會(huì)造成材料強(qiáng)度與硬度的升高,同時(shí)材料的塑性與沖擊韌性降低。
導(dǎo)致頂軸斷裂的應(yīng)力來源主要包含兩個(gè)方面:一方面為服役過程中產(chǎn)生的外部應(yīng)力,一方面為部件結(jié)構(gòu)造成的應(yīng)力集中。在正常情況下,開關(guān)過程中氣閘門防逆機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn),頂軸一端萬向滾珠首先與擋板接觸,這時(shí)頂軸受力極小。在實(shí)際服役過程中,氣閘門關(guān)閉時(shí),其頂軸一端萬向滾珠束縛槽邊緣首先與擋板直接發(fā)生碰撞,這將會(huì)導(dǎo)致頂軸受到較大的剪切力;同時(shí),凹槽結(jié)構(gòu)造成局部應(yīng)力集中。兩者共同作用使頂軸斷裂。
斷裂材料的顯微組織沒有明顯的淬火組織(馬氏體),且表面維氏硬度偏低,說明沒有對(duì)頂軸材料進(jìn)行表面淬火。頂軸材料的顯微組織存在網(wǎng)狀先共析鐵素體與索氏體,網(wǎng)狀先共析鐵素鐵降低了材料的強(qiáng)度與沖擊韌性。此外,頂軸材料中碳元素含量偏高,不符合要求,會(huì)造成材料的強(qiáng)度與硬度升高,但也會(huì)使材料的塑性與沖擊韌性降低,最終材料在受到切向應(yīng)力的工況下發(fā)生了脆性斷裂。