發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓斷裂失效原因及機(jī)理研究

楊紅燕,莊賽讓,郭 鯉,簡(jiǎn)思聰,謝詠馨,陳穎欣

(1.中船黃埔文沖船舶有限公司, 廣東 廣州 510715; 2.廣東省科學(xué)院工業(yè)分析檢測(cè)中心,廣東 廣州 510650)

某電廠設(shè)備用柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行常規(guī)檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)其缸內(nèi)連桿螺栓出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,發(fā)動(dòng)機(jī)組連桿螺栓的裝配圖及其宏觀斷裂形貌如圖1所示。斷裂螺栓的材料為42CrMoA,性能等級(jí)按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1—2010中12.9級(jí)螺栓規(guī)定執(zhí)行,熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理,硬度要求為表面硬度≤435 HV,芯部硬度為385～435 HV,螺栓的設(shè)計(jì)使用壽命為2年,實(shí)際壽命150 h。本文通過(guò)對(duì)斷裂失效螺栓件進(jìn)行宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相組織分析、力學(xué)性能測(cè)試及SEM微觀形貌觀察,并結(jié)合連桿螺栓的安裝全過(guò)程進(jìn)行了全方位斷裂原因分析,確定了螺栓斷裂的原因,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 受力及宏觀觀察

圖2(a)為連桿螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)組受力圖,連桿的作用是連接連桿體與連桿蓋,使其在任何情況下均可無(wú)間隙完全閉合。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中,連桿將活塞承受的氣體壓力傳給曲軸,使活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),此時(shí)連桿螺栓主要承受由活塞連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力的拉伸作用、裝配時(shí)的預(yù)緊力及連桿旋轉(zhuǎn)離心力的交變載荷[1-2]。圖2(b)為螺栓斷口宏觀形貌,可以看出螺栓斷口平齊,斷口與螺栓軸向垂直,斷口形貌呈貝殼狀條紋分布[3],能夠分辨出斷裂源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū),具有疲勞斷裂的形貌特征。

(a)連桿螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)組件裝配位置;(b)螺栓斷口宏觀形貌圖2 斷裂螺栓的受力及斷口宏觀形貌(a)location of connecting rod bolts and engine;(b)macro morphology of bolt fractureFig.2 The force and macro morphology of the fracture bolt

1.2 化學(xué)成分分析

斷裂螺栓強(qiáng)度等級(jí)為12.9級(jí),材質(zhì)為42CrMoA,性能等級(jí)按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1—2010執(zhí)行[4],在斷裂螺栓失效件和完好件的相同部位切割取樣,采用直讀光譜進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知,連桿螺栓失效件和完好件的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015要求。

表1 連桿螺栓化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of connecting rod bolts(mass fraction,%)

1.3 金相組織分析

在連桿螺栓斷口附近截取橫截面金相試樣,經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨和拋光處理后,腐蝕前觀察試樣的金相組織,并與完好件進(jìn)行對(duì)比,如圖3所示。由圖3可知,試樣中均出現(xiàn)了夾雜物,采用能譜儀對(duì)夾雜物進(jìn)行成分分析,該夾雜物主要為硫化物。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561—2005中A法評(píng)定螺栓的夾雜物級(jí)別為A0.5級(jí),而螺栓技術(shù)要求為不超過(guò)A2.5,因此螺栓夾雜物級(jí)別符合技術(shù)要求。

(a)斷裂螺栓;(b)完好件圖3 腐蝕前試樣的金相組織(a)fracture bolt; (b) intact partsFig.3 Microstructure of the sample before corrosion

采用4%硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕,腐蝕后試樣的顯微組織如圖4、5所示。可以看出,試樣的表層金相組織中均未發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳層,符合螺栓表面脫碳層不超過(guò)0.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求;同時(shí)存在回火索氏體和針狀馬氏體。

(a)斷裂螺栓;(b)完好件圖4 腐蝕后試樣的表層組織(a)fracture bolt; (b) intact partsFig.4 Surface structure of the sample after corrosion

(a)斷裂螺栓;(b)完好件 圖5 螺栓的顯微組織(a)fracture bolt; (b) intact partsFig.5 Microstructure of bolt

1.4 顯微硬度檢測(cè)

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2009要求對(duì)連桿螺栓的表面和芯部進(jìn)行維氏硬度檢測(cè),結(jié)果如表2所示。

表2 連桿螺栓顯微硬度(HV0.3)Table 2 Microhardness of connecting rod bolts(HV0.3)

1.5 力學(xué)性能測(cè)試

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1—2010要求對(duì)連桿螺栓進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,由于失效連桿螺栓無(wú)法按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)試,故只測(cè)試完好件的力學(xué)性能,并與對(duì)比件(使用壽命2年)進(jìn)行對(duì)比,測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 連桿螺栓力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties of connecting rod bolts

1.6 斷口形貌觀察

連桿螺栓斷口的斷裂源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的微觀形貌如圖6所示。螺栓斷裂位置在第一個(gè)齒合螺紋處,裂紋源在螺紋的牙根部位,如圖6(a)中箭頭所指。

(a,b)斷裂源區(qū);(c,d)擴(kuò)展區(qū);(e,f)瞬斷區(qū)圖6 螺栓斷口微觀形貌(a,b)fracture source area;(c,d)propagation zone;(e,f)transient break zoneFig.6 Microscopic morphology of bolt fracture surface

對(duì)連桿螺栓斷裂源的側(cè)面螺紋進(jìn)行觀察,如圖7所示。可以看到與斷面交界的外表面存在許多微裂紋,同時(shí)在靠近斷口的螺紋牙根處出現(xiàn)了與斷面平行的微裂紋,該微裂紋可能是導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂的裂紋源[6]。

圖7 連桿螺栓斷裂源區(qū)側(cè)面螺紋微觀形貌Fig.7 Microscopic morphology of side thread in fracture source area of connecting rod bolt

2 分析與討論

根據(jù)以上分析結(jié)果可知,斷裂螺栓的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求;螺栓夾雜物級(jí)別符合技術(shù)要求,且斷裂螺栓和完好件表層組織中均未發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳層,符合螺栓表面脫碳層不超過(guò)0.1 mm的要求。

金相組織觀察發(fā)現(xiàn),調(diào)質(zhì)處理后螺栓組織中除了有回火索氏體,還存在淬火時(shí)形成的細(xì)針狀淬火馬氏體,這表明螺栓的回火不夠完全,組織中淬火馬氏體未完全轉(zhuǎn)化為回火索氏體[7-8]。顯微硬度檢測(cè)結(jié)果表明,斷裂螺栓的表面和芯部硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,但完好件的表面和芯部硬度均超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。結(jié)合螺栓金相組織及制造工藝,推斷可能是螺栓在熱處理過(guò)程中回火不完全,或者機(jī)加工過(guò)程引起內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力集中,造成硬度偏高;而在螺栓斷裂失效后,內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力集中可能得到了部分釋放,導(dǎo)致螺栓表面和芯部硬度降低。

力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明,完好件的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,并且抗拉強(qiáng)度和延伸強(qiáng)度均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求最低值約30%,而對(duì)比件的力學(xué)性能均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值。通常情況下,材料的強(qiáng)度、硬度越高,其韌性會(huì)降低,抗疲勞壽命也會(huì)隨之降低。因此盡管完好件的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但過(guò)高的強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致材料韌性下降,容易造成螺栓過(guò)早疲勞斷裂。

通過(guò)觀察斷口形貌,在螺栓斷裂擴(kuò)展區(qū)可以明顯看到疲勞輝紋以及撕裂棱存在,通過(guò)高倍觀察可看到疲勞臺(tái)階之間分布著細(xì)小微裂紋以及夾雜物;瞬斷區(qū)可以看到明顯韌性斷口形貌,通過(guò)高倍觀察可看到明顯韌窩特征[9-10],該區(qū)是由于應(yīng)力過(guò)載而形成,該區(qū)面積較小,承受不了交變應(yīng)力,因此呈現(xiàn)快速斷裂的微觀形貌。因此,該螺栓的斷裂為低周疲勞斷裂。

3 結(jié)論及建議

連桿螺栓斷裂失效屬于低周疲勞斷裂,造成該螺栓斷裂的主要原因有：

1)連桿螺栓在調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中回火不完全,組織中存在淬火馬氏體,使其硬度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍,同時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度過(guò)高,導(dǎo)致連桿螺栓韌性下降,疲勞性能下降;

2)連桿螺栓在機(jī)加工過(guò)程中(滾絲)存在微裂紋缺陷,在連桿螺栓服役過(guò)程中,微裂紋在應(yīng)力集中區(qū)附近能夠快速演變?yōu)槁菟ㄆ跀嗔言?隨著裂紋源不斷向螺栓內(nèi)部擴(kuò)展,最終導(dǎo)致螺栓無(wú)法承受交變載荷而發(fā)生瞬斷,過(guò)早發(fā)生疲勞斷裂失效。

建議嚴(yán)格控制熱處理工藝,包括回火溫度和保溫時(shí)間,確保調(diào)質(zhì)處理后的金相組織為完全回火索氏體,保證螺栓硬度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注螺栓的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度指標(biāo),在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)應(yīng)盡可能接近標(biāo)準(zhǔn)下限值,保證螺栓的韌性。另外,增加一道螺紋質(zhì)檢流程,降低螺紋微裂紋缺陷所造成的早期疲勞斷裂風(fēng)險(xiǎn)。