主軸承蓋螺栓斷裂原因分析

李俊濤，程利利

（河南柴油機重工有限責任公司，河南 洛陽 471003）

某柴油機運行30 085 h，發生主軸承蓋螺柱斷裂故障，螺柱材料為40CrNiMo 鋼，表面鋅磷化處理，裂紋位于桿部。

1 檢驗

1.1 宏觀分析

宏觀觀察，斷口垂直于縱軸線，呈黑灰色，無明顯塑性變形現象，裂紋源位于螺柱的表面，裂紋擴展的起始區域是一個平坦的扇形區域，之后呈放射狀擴展，相對較粗糙，最后是斜45°擴展的剪切唇區，斷口上有輕微摩擦損傷現象，裂紋源處螺柱外圓表面及對側呈光亮的金屬色，有機械損傷痕跡，如圖1 和圖2 所示。

圖1 螺柱形貌

圖2 斷口形貌

1.2 化學成分

對螺柱進行化學成分分析，結果見表1，符合國家標準要求。氫含量檢測結果見表2，氫含量分布不均勻，斷口區域氫含量較高。

表1 化學成分檢測結果Wt%

表2 氫含量檢測結果Wt%

1.3 拉伸性能

對螺柱進行拉伸性能檢測，結果見表3，其強度符合技術要求，但超出技術要求較多。對螺柱進行硬度檢測，結果見表4，硬度超出金屬要求上限。

表3 螺柱拉伸性能檢測結果

表4 螺柱硬度檢測結果HRC

1.4 金相分析

根據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》進行夾雜物評定，其結果見表5。

表5 夾雜物評定結果

螺柱的裂紋源形貌如圖3 所示，位于螺柱的直桿部位，有磕碰變形現象，裂紋源附近未發現大塊夾雜、疏松等材料缺陷。裂紋擴展前期凹凸不平，有二次裂紋，如圖4 所示，擴展后期相對平滑，未觀察到二次裂紋形貌，如圖5 所示。侵蝕后觀察裂紋源區和擴展區的金相組織為回火索氏體，與其他區域及心部組織相同，螺栓表面未發現脫碳現象，金相組織正常，如圖6—圖8 所示。晶粒度9.5 級，晶粒細小，如圖9 和圖10 所示。

圖3 裂紋源形貌（放大400 倍）

圖4 裂紋擴展區（沿晶區）（放大400 倍）

圖5 裂紋擴展區（韌窩區）（放大100 倍）

圖6 螺柱表面裂紋（放大100 倍）

圖7 裂紋源組織（放大400 倍）

圖8 裂紋擴展區組織（放大100 倍）

圖9 心部金相組織（放大500 倍）

圖10 心部金相組織（放大400 倍）

1.5 斷口掃描電鏡觀察

螺柱的裂紋源區有碰撞內凹現象，邊緣斷口上有摩擦損傷痕跡，裂紋源區呈沿晶特征，晶面較粗糙，如圖11 和圖12 所示。在宏觀上觀察較平坦的扇形區域內呈沿晶特征，放大后觀察有雞爪紋特征，如圖13 和圖14 所示。擴展區中期為沿晶和韌窩的混合斷口特征，擴展后期為韌窩特征，剪切唇為細小的韌窩特征，如圖15 和圖16 所示。

圖11 裂紋源形貌

圖12 裂紋源區沿晶特征

圖13 擴展區沿晶特征

圖14 擴展區沿晶雞爪紋特征

圖15 擴展區韌窩特征

圖16 剪切唇韌窩特征

將拉伸試樣置于掃描電鏡下觀察，呈典型的杯錐狀拉伸斷口形貌，纖維區、放射區、剪切唇區均為韌窩，呈韌性斷裂特征，如圖17 和圖18 所示。

圖17 拉伸試樣斷口低倍形貌

圖18 拉伸試樣斷口纖維區

2 分析

螺柱的化學成分符合國家標準GB/T 3077—2015《合金結構鋼》的要求，螺柱的夾雜物含量較少，金相組織正常，晶粒度細小，未發現材料冶金缺陷和明顯的加工缺陷。強度符合技術要求，但超出要求值較多，硬度超出技術要求上限。

螺柱的斷口垂直于縱向軸線，裂紋源位于螺柱直桿部位的表面，是一個平坦的扇形小區域，沿晶開裂，裂紋初期擴展區呈沿晶開裂特征，并有雞爪紋特征。裂紋源周圍未發現大塊夾雜、疏松等材料缺陷、未發現氧化脫碳現象，但裂紋源處螺栓表面有碰傷痕跡。裂紋擴展區中期為沿晶+韌窩的混合型斷口特征，之后為韌窩特征，韌性開裂區域約占整個斷口面積的2/3。從斷口的宏觀和微觀形貌分析螺柱呈氫脆開裂特征。

氫脆開裂主要是開裂部位材料中的氫含量超出臨界值所致，氫的來源主要有原材料冶煉過程中的氫，加工過程中如電鍍、酸洗磷化等工序中吸氫，從使用環境中（如海水環境）吸氫等。螺柱中的整體氫含量并不高，環境吸氫的可能性較小，應該是生產過程中的內氫。

鋼的強度越高，氫脆敏感性就越大，發生氫脆所需的氫含量就越低。螺柱的強度較高，且高出標準要求較多，增加了螺柱的氫脆敏感性。從氫含量的檢測結果來看，離斷口較遠的區域氫含量較低，而離斷口較近的區域氫含量明顯比較遠的區域高很多，這種現象一方面說明螺柱中的氫含量不均勻，另一方面也表明了氫在螺柱基體中的擴散聚集現象，鋼中的氫通常情況下會往材料中的缺陷處、三向應力集中處，表面損傷等區域集中。螺柱在裝機以來漫長的時間里逐步聚集，造成材料中局部區域的氫含量超出氫脆門檻值，最終導致氫脆的發生。

綜上所述，螺柱的斷裂為氫脆斷裂，螺柱抗拉強度較高，氫脆敏感性較大是螺柱發生氫脆斷裂的主要原因。

3 結論

1）螺柱的斷裂為氫脆斷裂，螺柱強度較高，氫脆敏感性較大是螺柱發生氫脆斷裂的主要原因。

2）建議嚴格控制熱處理工藝，螺柱強度滿足技術要求的條件下，不要過度超高。