摘 要:某天然氣公交車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋螺栓發(fā)生斷裂,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,分析了螺栓斷裂的原因。結(jié)果表明:螺栓的失效模式 為氫脆斷裂;在服役過(guò)程中,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,且存在初 始裂紋,螺栓、水汽和天然氣中的微量氫元素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。

關(guān)鍵詞:天然氣;螺栓;氫脆斷裂

中圖分類(lèi)號(hào):TG144 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)01-0011-03

天然氣公交車(chē)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(chē)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(chē)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(lèi)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。

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(mǎn)足客戶(hù)提供的技術(shù)要求。

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。

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。

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2.942N,測(cè) 得的維 氏 硬 度 分 別 為 426,453,442 HV0.3,根 據(jù) GB/T1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》, 換算成洛氏硬度為43.8,45.7,45.1HRC,其硬度超 過(guò)客戶(hù)提供的技術(shù)要求(41~44HRC)。

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。

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(mǎn)足客戶(hù)提供的技術(shù)要求,螺栓硬度超過(guò)客戶(hù)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。

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