連桿螺栓斷裂原因

陸 慧

(上海材料研究所, 上海 200437)

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(100%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。

圖2 螺栓斷口宏觀形貌

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。

表1 連桿螺栓的化學成分 %

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。

表2 連桿螺栓的力學性能測試結果

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。

圖3 斷口深暗色區域與疲勞區域交界處的SEM形貌

圖4 斷口深暗色區域SEM形貌

圖5 斷口深暗色區域能譜分析位置及其能譜圖

圖6 斷口表面磷化處理涂層能譜分析位置及其能譜圖

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。

圖7 裂紋擴展區SEM形貌

圖8 瞬斷區剪切唇SEM形貌

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，其氯離子質量分數最高，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。

圖9 表層黑色物質能譜分析位置及其能譜圖

圖10 中間層物質能譜分析位置及其能譜圖

圖11 接近基體的里層能譜分析位置及其能譜圖

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/T 10561—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。

圖12 斷口剖面拋光態微觀形貌

圖13 斷口處顯微組織形貌

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。