摘 要:某船用柴油機連桿螺栓發生斷裂,利用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、金相檢 驗、掃描電鏡及能譜分析等方法對其斷裂原因進行研究。結果表明:連桿螺栓斷裂是由陳舊性裂紋 引起的疲勞斷裂,且該裂紋形成于酸洗之前。

關鍵詞:連桿螺栓;疲勞斷裂;陳舊性裂紋;酸洗

中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)08-0054-04

在對某柴油機出油點進行常規檢查時,發現其 缸內連桿螺栓出現斷裂現象,斷裂螺栓模型及其宏 觀形貌如圖1所示。該類型螺栓的生產工藝路線主 要為:原材料→鍛造→粗加工→熱處理→精加工→ 磁粉檢測(檢測)→磷化(包括酸洗及磷化工 序)→入庫。

筆者采用一系列理化檢驗方法對其斷裂原因進 行了分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂連桿螺栓斷口的宏觀形貌如圖2所示,由 圖2可知:斷口上可見月牙形的深暗色區域;緊鄰深 暗色區域末端可見臺階特征,為疲勞裂紋起始區域; 瞬斷區為圖2所示的剪切唇區域。

1.2 化學成分分析

在斷裂的連桿螺栓上取樣,對其進行化學成分分析,結果如表1所示,可知其化學成分符合圖紙的 技術要求。

1.3 力學性能測試

在連桿螺栓上取樣,對其進行力學性能測試,結果 如表2所示,可知其力學性能符合圖紙的技術要求。

1.4 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

將斷口置于掃描電子顯微鏡下觀察,圖3為斷口深暗色區域與疲勞區域交界處的 SEM 形貌,疲 勞裂紋起源于圖3中深暗色區域末端,具有多源臺 階特征,擴展區可見貝紋線,符合疲勞斷裂的微觀形 貌特征。斷口深暗色區域 SEM 形貌如圖4所示, 可見較為致密的覆蓋物,無法觀察開裂面的原始形 貌。采用能譜儀對斷口的深暗色區域進行能譜分 析,結果如圖5所示,由圖5可知:斷口上覆蓋層的 P,Zn元素以及腐蝕性元素 O,Cl的含量較高。斷 口表面磷化處理涂層能譜分析位置及其能譜圖如 圖6所示,可知與圖5中的分析結果接近。

裂紋擴展區 SEM 形貌如圖7所示,可見大致 平行的疲勞輝紋;瞬斷區剪切唇 SEM 形貌如圖 8 所示,可見其呈韌窩特征。

垂直于斷口剖面截取試樣,經鑲嵌、磨拋后將其 置于SEM 下觀察,并對其進行能譜分析,結果如圖9~11所示。由圖9~10可知:深暗色區域斷口表 面覆蓋物有3層,最表層黑色物質為滲入的磷化涂 層,中間層為氧化物層,最接近基體的為腐蝕作用 層,其氯離子質量分數更高,說明裂紋形成于表面磷 化以及酸洗工藝之前,屬于陳舊性裂紋,酸洗后的腐蝕性介質滲入裂紋內部,裂紋產生了氧化腐蝕,由于 氯離子的穿透能力強,故容易穿透氧化膜內極小的 孔隙到達金屬表面。

1.5 金相檢驗

截取垂直于斷口的剖面試樣,經鑲嵌、磨拋后將 其置于光學顯微鏡下觀察,斷口剖面拋光態微觀形 貌如圖12所示。圖13a)為斷口深暗色區域(陳舊 性裂紋)剖 面 顯 微 組 織 形 貌,其 表 面 可 見 覆 蓋 層; 圖13b)為疲勞擴展區剖面顯微組織形貌,其表面無 覆蓋層。按 GB/T10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》中實際檢驗 A 法 評 定 其 夾 雜 物 等 級 為:A0.5,B0,C0,D0.5, D0.5e。試樣經化學試劑侵蝕后,將其置于光學顯微 鏡下觀察,發現斷口處顯微組織均勻,未發現偏析、 脫碳、過燒等顯微組織缺陷,顯微組織為回火索氏 體,為調質熱處理的正常顯微組織。

2 綜合分析

連桿螺栓的化學成分、抗拉強度、屈服強度、斷后 伸長率及沖擊吸收能量均符合技術要求,連桿螺栓顯 微組織為回火索氏體,為調質處理的正常顯微組織。

由斷口的宏觀形貌和 SEM 形貌可知,斷裂部 位為圖1所示過渡處,斷裂性質為疲勞斷裂,疲勞裂紋起源于深暗色區域(陳舊性裂紋)末端,可見多處 臺階形貌,為多源特征[1],裂紋作為應力集中點,在 高強度的服役過程中成為裂紋源并不斷疲勞擴展, 進而導致螺栓發生疲勞斷裂[2]。由裂紋區域的斷口 及斷口剖面的能譜分析結果可知:裂紋區覆蓋層有 較高 含 量 的P和Zn元 素 ,這 些 元 素 與 螺 栓 表 面 鍍層成分匹配,說明裂紋在螺栓進行表面磷化處理前 就已經存在了;同時覆蓋層中還檢出了腐蝕性元素 O 和 Cl,這是因為磷化處理前、酸洗時殘留酸液滲 入裂紋內部,從而發生了氧化腐蝕。

3 結論

(1)連桿螺栓材料符合圖紙技術要求。

(2)連桿螺栓斷裂性質為疲勞斷裂,疲勞裂紋 起源于深暗色(陳舊性裂紋)區域的末端,在服役過程中,陳舊性裂紋末端是應力集中的疲勞裂紋源,引 發了疲勞斷裂。

(3)斷口上的陳舊性裂紋形成于酸洗之前。

參考文獻:

[1] 王榮.機械裝備的失效分析(續前)第3講 斷口分析 技術(上)[J].理化檢驗(物理分 冊),2016,52(10): 702.

[2] 袁峰,靳寶宏,門菲.發動機 連 桿 螺 栓 斷 裂 原 因 分 析 [J].理化檢驗(物理分冊),2017,53(11):833-836.

<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 8期 (pp:54-57)>