分享某天然气公交车发动机主轴承盖螺栓断裂

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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:TG文献标志码:B文章编号:-()01--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1SCM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。2化学成分分析从断裂螺栓上取样,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QuantaFEG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.N,测得的维氏硬度分别为,,HV0.3,根据GB/T-《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。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。

文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册58卷1期(pp:11-13)

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