分享：某天然气公交车发动机主轴承盖螺栓断裂原因
沙 菲
(上海材料研究所,上海 200437)
摘 要:某天然气公交车发动机主轴承盖螺栓发生断裂,通过宏观观察、化学成分分析、扫描电 镜及能谱分析、硬度试验和金相检验等方法,分析了螺栓断裂的原因。结果表明:螺栓的失效模式 为氢脆断裂;在服役过程中,螺栓在较长时间的应力作用下,其头部圆角处产生应力集中,且存在初 始裂纹,螺栓、水汽和天然气中的微量氢元素向螺栓初始裂纹附近扩散、聚集,当氢含量达到临界值 时,裂纹扩展,最后导致螺栓发生断裂。
关键词:天然气;螺栓;氢脆断裂
中图分类号:TG144 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)01-0011-03
天然气公交车具有燃料环保、经济高效、行驶平 稳等特点,有助于改善城市空气质量。断裂螺栓安 装在天然气公交车的发动机上,为第2主轴承盖排 气侧螺 栓。 该 断 裂 螺 栓 为 12.9 级 螺 栓,材 料 为 1SCM435钢,其生产工艺流程如下:进料→打头→ 热处理(调质处理)→滚矫直→滚牙→磷酸锌处理→ 成品检验→包装→出货。该天然气公交车发动机螺 栓发生了多起断裂,断裂位置均位于螺栓头部圆角 处,断裂率高达15.6%。
笔者通过宏观观察、化学成分分析、扫描电镜及 能谱分析、硬度试验和金相检验等方法,并结合螺栓 的使用情况,对其断裂原因进行分析,以避免该类事 故的再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
螺栓断口的宏观形貌如图1所示,可见断口大 部分区域较为平整、洁净,断面与螺栓轴向基本垂 直,未见明显塑性变形区域,局部区域颜色较深。
1.2 化学成分分析
从化断学裂成螺分栓分上析取样,对其进行化学成分分析,见表1,螺栓的化学成分满足客户提供的技术要求。
1.3 扫描电镜及能谱分析
将螺栓断口充分清洗后,置于 Quanta400FEG 型扫描电镜(SEM)下观察其形貌,如图2a)所示,可 见断口大部分区域较为平整,断口主要分为四个区 域,区域IV 颜色较暗。将图2a)中裂纹源区进一步 放大观察,如图2b),c)所示,可见沿晶断裂和韧窝 形貌,有少量二次裂纹,局部晶面可见鸡爪状变形 纹。将 图 2a)中 其 它 区 域 进 一 步 放 大 观 察,如 图2d)~g)所示,均可见韧窝形貌。
采用能谱仪(EDS)对裂纹源区和远离裂纹源区进 行元素的定性半定量分析,结果见图3,裂纹源区存在 锌和磷元素,锌元素质量分数高达3.64%,锌元素是在 磷酸锌处理过程中渗入的,该区域存在初始裂纹。
1.4 硬度试验
在螺栓断口截取剖面试样,经镶嵌、磨抛后,采 用显微硬度计进行硬度测试,试验力为2.942N,测 得的维 氏 硬 度 分 别 为 426,453,442 HV0.3,根 据 GB/T1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》, 换算成洛氏硬度为43.8,45.7,45.1HRC,其硬度超 过客户提供的技术要求(41~44HRC)。
1.5 金相检验
在断裂螺栓断口裂纹源区和螺杆心部沿轴向截 取剖面试样,经镶嵌、磨抛和化学试剂浸蚀后,置于 光学显微镜下观察其显微组织。如图4所示:螺栓 断口裂纹源区可见沿晶开裂形貌特征,裂纹源区的 显微组织为回火马氏体,可见少量碳化物;螺杆心部 的显微组织为回火马氏体,可见少量碳化物。
2 分析与讨论
通过以上理化检验结果可知,螺栓的化学成分 满足客户提供的技术要求,螺栓硬度超过客户提供 的技术要求。螺栓断口裂纹源区的显微组织为回火 马氏体,螺杆心部的显微组织为回火马氏体。
氏体,螺杆心部的显微组织为回火马氏体。 断裂发生于螺栓头部圆角处,断口大部分区域 较为平整、洁净,断面与轴向大致垂直,未见明显塑 性变形区域,局部区域颜色较深。由扫描电镜分析 结果可知:裂纹源区可见沿晶开裂+二次裂纹+韧 窝的形貌特征,局部可见鸡爪纹;其他区域呈韧窝形 貌特征。由能谱仪分析结果可知,裂纹源区存在锌 和磷元素,这是在磷酸锌表面处理过程中渗入的,裂 纹源区存在初始裂纹。
该螺栓用于天然气发动机中,天然气的主要成 分为烷烃,其中甲烷占绝大部分,另有少量的乙烷、 丙烷和丁烷,以及硫化氢、二氧化碳、氮、水气和少量 一氧化碳及微量的稀有气体等。该螺栓为12.9级螺栓,硬度较高,脆性较大,显微组织为回火马氏体, 对氢元素较为敏感。螺栓在较长时间的应力作用 下,其头部圆角处产生应力集中,且该处存在初始裂 纹,螺栓、水汽和天然气中微量的氢均向螺栓初始裂 纹附近扩散、聚集,当氢含量达到临界值时,裂纹扩 展,最后导致螺栓发生断裂,故判断该螺栓断裂性质 为氢脆断裂。 3 结论及建议
(1)该螺栓断裂性质为氢脆断裂。螺栓在较长 时间的应力作用下,其头部圆角处产生应力集中,且 该处存在初始裂纹,螺栓、水汽和天然气中微量的氢 元素均向螺栓初始裂纹附近扩散、聚集,当氢含量达 到临界值时,裂纹扩展,最后导致螺栓发生断裂。
(2)通过降低材料中氢元素的含量、采用低氢 扩散性和低氢溶解度的镀层以及镀前去应力和镀后 去氢,可避免材料发生氢脆断裂。
