U形桿斷裂分析

核電站的安全性和可靠性是關(guān)系國(guó)家核電事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。受福島核電事故影響，我國(guó)核電政策也由積極發(fā)展改為謹(jǐn)慎前行，對(duì)核電設(shè)備的安全可靠性提出了更高要求。然而，核電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且隨著核電站運(yùn)行壽命的延長(zhǎng)，大量零部件在核電站運(yùn)行壽期內(nèi)出現(xiàn)提前失效，并呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。核電部件的失效已嚴(yán)重影響到核電站的安全運(yùn)行。

某核電2號(hào)機(jī)組常規(guī)島通風(fēng)、排水和溢流系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“TDS系統(tǒng)”）一閥桿與齒輪箱連接用U形連接桿出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致設(shè)備損壞。斷裂件現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商提供的資料顯示，斷裂件牌號(hào)為ASME SA-29 4340，但未提供該產(chǎn)品最終熱處理狀態(tài)。為防止相同事件發(fā)生，并制定合理有效的預(yù)防措施，電廠隨即組織人員對(duì)斷裂件進(jìn)行斷裂原因分析。

（a）                                                  （b）

圖1 斷裂件宏觀照片

1.理化檢驗(yàn)及結(jié)果

（1）宏觀檢查

對(duì)斷裂U形連接桿宏觀檢查，如圖2所示。U形連接件斷裂位置位于U形槽槽底與垂直槽底的槽邊過(guò)渡位置，斷面粗糙呈顆粒狀，無(wú)明顯的塑性變形，呈脆性斷裂。通過(guò)斷口的放射擴(kuò)展線可以看出，放射線收斂于U形槽內(nèi)側(cè)，表明斷裂起源于U形槽內(nèi)側(cè)，向外側(cè)擴(kuò)展并最終斷裂。

（a）                             （b）                              （c）

圖 2 失效件外觀及斷口宏觀形貌

（2）化學(xué)成分分析  表1為斷裂件取樣的化學(xué)成分分析結(jié)果。該斷裂件各化學(xué)元素含量與ASME SA-29規(guī)定的4340鋼元素含量差異較大，且S含量顯著高于標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)與ASME SA-29比對(duì)發(fā)現(xiàn)，斷裂件化學(xué)成分與該標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)為1345的鋼種較為接近?？梢?jiàn)，設(shè)備供應(yīng)商提供的材料牌號(hào)與實(shí)際牌號(hào)不符，可能存在材質(zhì)錯(cuò)用的情形。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）  （%）

（3）硬度測(cè)試

表2為斷裂件斷口附近取樣布氏硬度測(cè)試結(jié)果。斷裂件硬度值較為均勻，平均約280HBW。GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定45Mn2鋼（對(duì)應(yīng)ASMESA-29 1345）在退火或高溫回火后的硬度值≤217HBW，因此可見(jiàn)，該斷裂件的硬度值顯著超出該材質(zhì)在理想熱處理狀態(tài)下的硬度值。

表2 布氏硬度測(cè)試結(jié)果   （HBW）

（4）金相檢驗(yàn)

圖3為斷裂件斷口附近金相檢驗(yàn)結(jié)果?？v截面試樣拋光態(tài)下可見(jiàn)，斷裂件組織中夾雜物含量較高（見(jiàn)圖3a），其類型主要為A類（硫化物類），依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中A法評(píng)級(jí)級(jí)別為A3s。

斷裂件基體金相組織為珠光體+鐵素體，鐵素體沿?cái)嗔鸭v向呈帶狀或網(wǎng)狀分布（見(jiàn)圖3b）；斷口沿鐵素體與珠光體交界面開(kāi)裂（見(jiàn)圖3c）。

通過(guò)斷口中心的縱截面金相試樣顯示，未斷裂側(cè)U形槽槽底平面與內(nèi)側(cè)豎直面相交位置的過(guò)渡角R較為尖銳，而斷裂側(cè)斷面恰好在該位置啟裂（見(jiàn)圖3d~f），表明U形件的斷裂與該過(guò)渡位置尖銳的夾角R引起的應(yīng)力集中有關(guān)。通過(guò)圖3c還可看出，R位置金屬流線被割斷，導(dǎo)致R角位置垂直于流線方向的力學(xué)性能嚴(yán)重降低。

（a）非金屬夾雜                                   （b）基體組織  

（c）斷口截面                                           （d）未斷裂側(cè)R角位置 

（e）縱截面試樣宏觀照片                       （f）斷裂側(cè)R角位置

圖3  斷口附近非金屬夾雜及顯微組織形貌

（5）斷口微觀分析

圖4為失效件斷口各區(qū)域微觀形貌。啟裂區(qū)基體中存在大量的硫化物夾雜，夾雜物沿鐵素體與珠光體的交界面呈條狀分布，斷口主要沿夾雜物與基體的交界面開(kāi)裂，基體相連的部分?jǐn)嗔褧r(shí)形成撕裂棱（見(jiàn)圖4a）；擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)部分解理形貌，其斷裂形式為沿夾雜物與基體的界面開(kāi)裂和穿晶型解理斷裂兩種形式（見(jiàn)圖4b）；終斷區(qū)斷裂形貌與啟裂區(qū)基本相似。

（a）啟裂區(qū)

（b）擴(kuò)展區(qū)

（c）瞬斷區(qū)

圖4  斷口微觀形貌

2.分析與討論

綜合上述各檢驗(yàn)結(jié)果，失效件的斷裂與多種因素有關(guān)。

（1）材質(zhì)錯(cuò)用

化學(xué)成分分析結(jié)果顯示，零件出現(xiàn)材質(zhì)錯(cuò)用的情況，錯(cuò)將1345鋼替代了4340鋼使用。4340鋼相比于1345鋼而言，添加了Cr、Ni、Mo等合金元素，其綜合力學(xué)性能要優(yōu)于一般的碳素鋼1345。參考GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》，列出1345和4340兩種牌號(hào)的對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)牌號(hào)在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的力學(xué)性能如表3所示。

表3 牌號(hào)1345和4340鋼力學(xué)性能對(duì)比

可見(jiàn)，1345鋼相對(duì)4340鋼而言，其整體力學(xué)性能較差，材料的錯(cuò)用會(huì)明顯降低部件的承載能力，可能會(huì)導(dǎo)致其不能滿足設(shè)計(jì)要求。電廠后期對(duì)上述設(shè)備制造商提供的其他相同或相似功能部件進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)材質(zhì)排查，發(fā)現(xiàn)除閥桿與齒輪箱連接用U形桿外，還包括一部分齒輪箱支撐桿等也出現(xiàn)材質(zhì)錯(cuò)用的情況。

（2）產(chǎn)品熱處理狀態(tài)不合理

根據(jù)斷裂件的化學(xué)成分及其使用狀態(tài)判斷，該斷裂件最佳的使用狀態(tài)應(yīng)為調(diào)質(zhì)態(tài)，其金相組織應(yīng)為回火索氏體。而金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，斷裂件的金相組織為珠光體+鐵素體，且鐵素體呈帶狀或網(wǎng)狀分布，其綜合力學(xué)性能會(huì)顯著低于回火索氏體組織。斷裂件較高的布氏硬度也反映出其較低的塑韌性，高的硬度增加了材料的強(qiáng)度，但降低了材料的塑性和韌性，對(duì)部件承受沖擊載荷極為不利。因此可見(jiàn)，斷裂U形件的熱處理工藝不合理。

（3）非金屬夾雜物含量過(guò)高

斷裂U形件非金屬夾雜物含量較高，這與化學(xué)成分分析結(jié)果中較高的S含量相吻合。大量的硫化物夾雜沿鐵素體與珠光體界面析出，割裂了基體的連續(xù)性，導(dǎo)致材料沿垂直于加工方向的力學(xué)性能嚴(yán)重降低。通過(guò)對(duì)斷口邊緣取樣金相檢驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，斷面主要沿夾雜物與基體的交界面擴(kuò)展，表明該部件的斷裂與大量非金屬夾雜物的存在有較大關(guān)系。

（4）U形槽設(shè)計(jì)及加工方式不合理

U形槽槽底平面與垂直于槽底平面的槽內(nèi)側(cè)平面之間的夾角R較小，兩垂直面過(guò)渡尖銳。查閱設(shè)備制造商提供的圖樣（見(jiàn)圖5）發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)并未對(duì)上述過(guò)渡角R進(jìn)行規(guī)定，而根據(jù)工件的實(shí)際使用工況可以判斷，該部件在安裝或使用過(guò)程中會(huì)不可避免地受到平行于U形槽槽底的分應(yīng)力F的影響，而尖銳的夾角極易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致U形槽在R位置破壞。因此可見(jiàn)，該零件同樣存在設(shè)計(jì)上的缺陷。

圖5 制造商提供的失效件示意

縱截面金相檢驗(yàn)時(shí)還發(fā)現(xiàn)，斷裂U形件在過(guò)渡圓角R位置的金屬流線不合理。R位置金屬流線被割斷，容易導(dǎo)致該位置應(yīng)力集中，也使得材料在R位置平行于槽底的方向上力學(xué)性能進(jìn)一步顯著降低。在U形槽的成形過(guò)程中，若能采用鍛造形式替代切削成槽的形式，可以改變R角位置金屬流線形態(tài)，防止金屬流線出現(xiàn)斷流的情況，同時(shí)也能改善R角度過(guò)小容易導(dǎo)致應(yīng)力集中的問(wèn)題，提高U形槽R位置的力學(xué)性能。

3.結(jié)論及建議

（1）U形件的斷裂受多種因素影響，包括材質(zhì)錯(cuò)用、產(chǎn)品熱處理狀態(tài)不佳、組織中大量的非金屬夾雜物、槽底平面與垂直面之間的夾角過(guò)小、加工方式不合理造成的金屬流線被割斷等。上述每一條因素都足于造成該U形件在受到橫向應(yīng)力時(shí)發(fā)生斷裂。

（2）正確選材、避免材料錯(cuò)用并降低材料中非金屬夾雜物含量，是防止該失效情況發(fā)生的首要前提。

（3）保證材質(zhì)合格的前提下，應(yīng)改進(jìn)或優(yōu)化制造工藝，包括采用調(diào)質(zhì)處理以獲得綜合性能優(yōu)良的回火索氏體組織、U形槽的成形中采用鍛造工藝替代切削加工，以改善金屬流線不合理及夾角R過(guò)小引起應(yīng)力集中嚴(yán)重的問(wèn)題等。

作者：劉獻(xiàn)良，賴云亭，張忠偉，左敦桂；單位：蘇州熱工研究院有限公司；來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志