柴油發(fā)電機(jī)主軸承螺栓斷裂分析

姜 君， 趙登川， 朱吉印， 季昕陽， 吳國清

（1. 中國原子能科學(xué)院，北京 102413；2. 北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；3. 臨沂高新區(qū)雙航材料科技有限公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

螺栓作為一種基礎(chǔ)性機(jī)械連接件，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的機(jī)械產(chǎn)品與裝備中，承擔(dān)著極其重要的緊固連接作用，因此螺栓的失效往往會帶來非常嚴(yán)重的后果[1-3]。

特種設(shè)備專用的2臺應(yīng)急供電柴油發(fā)電機(jī)組在定期啟動檢查及保養(yǎng)時，發(fā)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組主軸承12根緊固螺栓中部分?jǐn)嗔眩?臺斷裂8根、1臺斷裂4根），且斷裂螺栓所處位置隨機(jī)。經(jīng)查，該柴油發(fā)電機(jī)組作為一種應(yīng)急備用電源，在廠房內(nèi)已安裝并服役 12 a，柴油機(jī)功率為 281 kW、轉(zhuǎn)速為1500 r/min，每月進(jìn)行1次空載啟動檢查，運(yùn)行時間為 20 min，累計(jì)運(yùn)行時長約 48 h。斷裂螺栓的材質(zhì)為18Cr2Ni4WA，屬高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性、低溫沖擊性能，一般用于截面較大、載荷較高且缺口敏感性低的重要零部件[4-5]。上述材質(zhì)螺栓在如此短的工作時長內(nèi)發(fā)生斷裂是不尋常的。在螺栓的斷裂失效中，由于材質(zhì)或加工缺陷導(dǎo)致其失效的現(xiàn)象較為常見，且斷口形貌最能反應(yīng)螺栓斷裂模式與性質(zhì)[6]；因此，對斷裂螺栓組分、力學(xué)性能及斷裂面進(jìn)行觀察、分析是十分必要的。

本研究對斷裂螺栓殘件的化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、硬度等進(jìn)行檢測，并對其斷口宏觀、微觀形貌特征進(jìn)行觀察、分析，確定該緊固螺栓斷裂的性質(zhì)及原因。

1 試驗(yàn)方法與結(jié)果

隨機(jī)選取2根斷裂螺栓（圖1）進(jìn)行失效分析，檢測試樣編號為1、2。2根螺栓均斷裂于螺紋前端部。

1.1 成分分析

在2根斷裂螺栓上分別取檢測試樣，使用GNR S3電火花直讀光譜儀進(jìn)行成分檢測，結(jié)果見表1。由此可以看出：2根斷裂螺栓的化學(xué)成分一致性較好；與標(biāo)準(zhǔn)值對比，除Cu元素含量高出標(biāo)準(zhǔn)值外，其余元素的含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured bolts

表1 斷裂螺栓化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of fractured bolts (mass fraction/%)

1.2 力學(xué)性能分析

對2根斷裂螺栓的室溫抗拉強(qiáng)度和硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖2所示。2根螺栓的抗拉強(qiáng)度分別為 1456、1433 N/mm2，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求（≥1220 N/mm2）。兩者硬度分布范圍為 HB 430～440，且兩螺栓批次間一致性較好，平均硬度分別為HB 434.0、433.7，均高于計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（HB 365～413）。

1.3 斷口分析

為精準(zhǔn)定位螺栓斷裂原因，采用PHENOM PROX型掃描電子顯微鏡對螺栓斷口形貌進(jìn)行觀察與分析，獲得斷口宏觀形貌特征（圖3）。可以看出，該斷口形貌與常規(guī)光滑疲勞試樣的斷口相似，為典型的疲勞斷裂斷口。斷面主要由3個典型區(qū)域組成：疲勞裂紋源區(qū)（Ⅰ）、裂紋擴(kuò)展區(qū)（Ⅱ）以及瞬斷區(qū)（Ⅲ）。其中，疲勞裂紋源區(qū)內(nèi)有數(shù)個可見的典型疲勞裂紋源，并且主要集中在試樣表面（圖3中紅色箭頭所指區(qū)域），所占面積較小；裂紋擴(kuò)展區(qū)斷面平坦，占整個疲勞斷口的絕大部分；瞬斷區(qū)斷口形貌與常規(guī)靜載斷裂的斷口形貌極為相似，是裂紋最后失穩(wěn)快速擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域，斷面相對粗糙。

圖2 斷裂螺栓的力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of fractured bolts

圖3 螺栓斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the bolt fracture

進(jìn)一步分析圖3所標(biāo)區(qū)域的疲勞裂紋源細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)部分裂紋源處存在黑色物質(zhì)（圖4a），疑為油污污染痕跡。對試樣進(jìn)行二次丙酮浸泡并輔以強(qiáng)力毛刷刷洗后重新觀察，原裂紋源處的黑色物質(zhì)得以基本去除，呈現(xiàn)出光亮的疲勞裂紋源特征（圖4b），說明在螺栓斷裂后，出現(xiàn)部分油污滲入斷面裂紋現(xiàn)象。另外，裂紋源區(qū)離螺栓表面較近，具有明顯的反復(fù)擠壓、摩擦痕跡。類似的典型疲勞裂紋源還有數(shù)處，見圖4c～圖4e（分別對應(yīng)圖3中的2～4號區(qū)域），對比分析發(fā)現(xiàn)，裂紋源區(qū)顏色較淺，斷面相對平坦，具有明顯的放射狀花紋，且大小不一。

2 分析與討論

斷裂螺栓的化學(xué)成分除Cu元素超標(biāo)外，其余均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，表明其斷裂與材質(zhì)無直接關(guān)系。由螺栓斷口形貌觀察分析結(jié)果可知，斷口處未見明顯的塑性變形，存在多個萌生于樣品表面的疲勞裂紋源，且裂紋源附近存在明顯的反復(fù)擠壓、摩擦痕跡，以及裂紋擴(kuò)展區(qū)面積占比大?；谝陨蠑嗫谔卣骱蛥⒖嘉悠谂袛嘣瓌t[6-7]，可認(rèn)定該螺栓斷裂是由于微動疲勞所致。在各種裝備系統(tǒng)中，只要接觸件之間作微幅相對運(yùn)動，就會出現(xiàn)微動損傷，如果接觸件同時受到交變載荷的作用，就會出現(xiàn)微動疲勞問題[8-9]。有研究表明，微動作用會導(dǎo)致連接件表面產(chǎn)生多種形式的損傷，例如凹坑、劃痕、氧化物、碎屑、表面塑性變形以及表面開裂等，與無微動時相比，在微動條件下，只需要很小的循環(huán)次數(shù)，即可導(dǎo)致裂紋在微動損傷處產(chǎn)生，從而大幅降低連接件的使用壽命[10]；因此，本研究中的螺栓會在如此短的工作時長內(nèi)發(fā)生斷裂。

圖4 螺栓斷口疲勞裂紋源區(qū)微觀形貌Fig.4 Micro morphology of fatigue crack source for the bolt fracture

另外，從斷裂螺栓的力學(xué)性能分析看，其抗拉強(qiáng)度高出設(shè)計(jì)要求值約18%，硬度值已超出設(shè)計(jì)要求范圍上限約5%，如此高的強(qiáng)度和硬度意味著對氫脆和應(yīng)力腐蝕的敏感性增強(qiáng)[11-12]。對實(shí)際螺栓而言，由于螺紋本身屬于應(yīng)力集中的區(qū)域，如此高的強(qiáng)度和硬度更容易使微動裂紋擴(kuò)展，而發(fā)生疲勞斷裂。

3 結(jié)論

1）螺栓斷口處存在數(shù)處大小不一的疲勞裂紋源特征，且裂紋擴(kuò)展區(qū)較大，表現(xiàn)出微動疲勞斷裂特征，其斷裂原因應(yīng)為使用過程中的微動疲勞所致。

2）螺栓化學(xué)成分滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，抗拉強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)要求，疲勞斷裂雖與材質(zhì)無直接關(guān)系，但硬度超出設(shè)計(jì)范圍，對螺栓的疲勞性能有不利的影響。