某天然氣公交車發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋螺栓斷裂原因

沙 菲

(上海材料研究所，上海 200437)

天然氣公交車具有燃料環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效、行駛平穩(wěn)等特點(diǎn)，有助于改善城市空氣質(zhì)量。斷裂螺栓安裝在天然氣公交車的發(fā)動(dòng)機(jī)上，為第2主軸承蓋排氣側(cè)螺栓。該斷裂螺栓為12.9級(jí)螺栓，材料為1SCM435鋼，其生產(chǎn)工藝流程如下：進(jìn)料→打頭→熱處理(調(diào)質(zhì)處理)→滾矯直→滾牙→磷酸鋅處理→成品檢驗(yàn)→包裝→出貨。該天然氣公交車發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓發(fā)生了多起斷裂，斷裂位置均位于螺栓頭部圓角處，斷裂率高達(dá)15.6%。

筆者通過(guò)宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡及能譜分析、硬度試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)等方法，并結(jié)合螺栓的使用情況，對(duì)其斷裂原因進(jìn)行分析，以避免該類事故的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

螺栓斷口的宏觀形貌如圖1所示，可見(jiàn)斷口大部分區(qū)域較為平整、潔凈，斷面與螺栓軸向基本垂直，未見(jiàn)明顯塑性變形區(qū)域，局部區(qū)域顏色較深。

圖1 螺栓斷口的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

從斷裂螺栓上取樣，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，見(jiàn)表1，螺栓的化學(xué)成分滿足客戶提供的技術(shù)要求。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)成分

1.3 掃描電鏡及能譜分析

將螺栓斷口充分清洗后，置于Quanta400FEG型掃描電鏡(SEM)下觀察其形貌，如圖2a)所示，可見(jiàn)斷口大部分區(qū)域較為平整，斷口主要分為四個(gè)區(qū)域，區(qū)域IV顏色較暗。將圖2a)中裂紋源區(qū)進(jìn)一步放大觀察，如圖2b),c)所示，可見(jiàn)沿晶斷裂和韌窩形貌，有少量二次裂紋，局部晶面可見(jiàn)雞爪狀變形紋。將圖2a)中其它區(qū)域進(jìn)一步放大觀察，如圖2d)～g)所示，均可見(jiàn)韌窩形貌。

圖2 螺栓斷口不同區(qū)域的SEM形貌

采用能譜儀(EDS)對(duì)裂紋源區(qū)和遠(yuǎn)離裂紋源區(qū)進(jìn)行元素的定性半定量分析，結(jié)果見(jiàn)圖3，裂紋源區(qū)存在鋅和磷元素，鋅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)3.64%，鋅元素是在磷酸鋅處理過(guò)程中滲入的，該區(qū)域存在初始裂紋。

圖3 螺栓斷口裂紋源區(qū)和遠(yuǎn)離裂紋源區(qū)的SEM形貌和EDS分析結(jié)果

1.4 硬度試驗(yàn)

在螺栓斷口截取剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后，采用顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，試驗(yàn)力為2.942 N，測(cè)得的維氏硬度分別為426，453，442 HV0.3，根據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，換算成洛氏硬度為43.8，45.7，45.1 HRC，其硬度超過(guò)客戶提供的技術(shù)要求(41～44 HRC)。

1.5 金相檢驗(yàn)

在斷裂螺栓斷口裂紋源區(qū)和螺桿心部沿軸向截取剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋和化學(xué)試劑浸蝕后，置于光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織。如圖4所示：螺栓斷口裂紋源區(qū)可見(jiàn)沿晶開(kāi)裂形貌特征，裂紋源區(qū)的顯微組織為回火馬氏體，可見(jiàn)少量碳化物；螺桿心部的顯微組織為回火馬氏體，可見(jiàn)少量碳化物。

圖4 螺栓斷口裂紋源區(qū)及螺桿心部的顯微組織

2 分析與討論

通過(guò)以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，螺栓的化學(xué)成分滿足客戶提供的技術(shù)要求，螺栓硬度超過(guò)客戶提供的技術(shù)要求。螺栓斷口裂紋源區(qū)的顯微組織為回火馬氏體，螺桿心部的顯微組織為回火馬氏體。

斷裂發(fā)生于螺栓頭部圓角處，斷口大部分區(qū)域較為平整、潔凈，斷面與軸向大致垂直，未見(jiàn)明顯塑性變形區(qū)域，局部區(qū)域顏色較深。由掃描電鏡分析結(jié)果可知：裂紋源區(qū)可見(jiàn)沿晶開(kāi)裂+二次裂紋+韌窩的形貌特征，局部可見(jiàn)雞爪紋；其他區(qū)域呈韌窩形貌特征。由能譜儀分析結(jié)果可知，裂紋源區(qū)存在鋅和磷元素，這是在磷酸鋅表面處理過(guò)程中滲入的，裂紋源區(qū)存在初始裂紋。

該螺栓用于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，天然氣的主要成分為烷烴，其中甲烷占絕大部分，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，以及硫化氫、二氧化碳、氮、水氣和少量一氧化碳及微量的稀有氣體等。該螺栓為12.9級(jí)螺栓，硬度較高，脆性較大，顯微組織為回火馬氏體，對(duì)氫元素較為敏感。螺栓在較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力作用下，其頭部圓角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，且該處存在初始裂紋，螺栓、水汽和天然氣中微量的氫均向螺栓初始裂紋附近擴(kuò)散、聚集，當(dāng)氫含量達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋擴(kuò)展，最后導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂，故判斷該螺栓斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂。

3 結(jié)論及建議

(1)該螺栓斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂。螺栓在較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力作用下，其頭部圓角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，且該處存在初始裂紋，螺栓、水汽和天然氣中微量的氫元素均向螺栓初始裂紋附近擴(kuò)散、聚集，當(dāng)氫含量達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋擴(kuò)展，最后導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂。

(2)通過(guò)降低材料中氫元素的含量、采用低氫擴(kuò)散性和低氫溶解度的鍍層以及鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫，可避免材料發(fā)生氫脆斷裂。