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嘉峪檢測網 2024-12-30 16:14
高強度螺栓是汽車發(fā)動機各種關鍵零部件連接的重要結構件，其主要作用是緊固和連接，使連接件和被連接件之間傳遞扭轉力矩。飛輪螺栓用于將飛輪組件固定在曲軸末端，通過裝配時的預緊力，使正常工作時的發(fā)動機飛輪組件與曲軸組件間傳遞扭矩，同時避免發(fā)動機在工作過程中產生振動失效。飛輪螺栓在工作中主要受拉伸力和剪切力的作用。
某款柴油發(fā)動機在工作中偶爾發(fā)生飛輪螺栓掉頭現(xiàn)象。該螺栓材料為42CrMo鋼，其化學成分需要符合標準GB/T 3077—2015《合金結構鋼》的要求。該螺栓強度等級為12.9級，性能需要符合標準GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》的要求。42CrMo鋼的生產工序制作工藝是：原材料去料頭料尾→冷鐓成型→去膜→熱處理淬火（880±10）℃→熱處理回火（490±10）℃→校直→滾壓螺紋→酸洗→磷化→除氫→檢驗→包裝。飛輪螺栓在發(fā)動機運轉過程中承受的載荷較大，不僅承受擰緊在飛輪和曲軸上的靜態(tài)載荷，還要承受與飛輪、曲軸一起高速旋轉時的交變載荷，所以飛輪螺栓本身必須具有較好的強度、韌性和耐疲勞性能。研究人員采用宏觀觀察、掃描電鏡（SEM）和能譜分析、金相檢驗、化學成分分析、硬度測試等方法對螺栓斷裂原因進行分析，并給出改進建議，以防止該類問題再次發(fā)生。
1、 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷裂飛輪螺栓宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：螺栓斷裂部位均為六角頭與螺桿交接的頭下圓角處，每件螺栓的兩個斷裂面特征是耦合的，斷口均為單向彎曲疲勞斷口，斷口邊緣處宏觀上無明顯的塑性變形，整體區(qū)域平整，呈現(xiàn)暗灰色色澤。
1，2號螺栓斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：從裂紋源逐漸開始出現(xiàn)到擴展區(qū)域的撕裂棱線狀微條紋，沿著裂紋擴展方向最終出現(xiàn)小角度傾斜的斷裂面；其中1號螺栓疲勞源處有兩個半圓形區(qū)域，顏色與基體斷裂面有明顯差異；進一步觀察發(fā)現(xiàn)整個斷口的近外圓處還有多處分布著無規(guī)律的半圓形區(qū)域；2號螺栓的斷口疲勞源區(qū)及與該疲勞源相對應的近外圓處也有與上述半圓形區(qū)域類似的異常區(qū)域；兩件斷裂螺栓的斷口均呈明顯的脆性斷裂特征，除斷口外，螺栓邊緣耦合處高點有少量磨損和磕碰。
1.2 掃描電鏡和能譜分析
將斷裂的飛輪螺栓用超聲波清洗后，采用掃描電鏡對螺栓斷口進行觀察，結果如圖3所示。由圖3可知：1 號螺栓斷裂源處兩個半圓形區(qū)域的微觀形貌顯示裂紋沿晶界擴展，沿晶斷口的形貌主要取決于金屬材料本身的晶粒形狀，沿晶斷口呈現(xiàn)明顯的冰糖狀[ 見圖3a)]，并且局部出現(xiàn)“雞爪狀”形貌和二次裂紋擴展，且另外多處小半圓區(qū)域特征與之相同，也呈沿晶斷裂特征；2號螺栓斷裂源區(qū)及小半圓區(qū)域斷口也呈沿晶斷裂特征[ 見圖3b）]；斷裂的大部分擴展區(qū)域主要呈現(xiàn)沿晶斷口特征，斷裂面平整[ 見圖3c）]；除以上區(qū)域外，在擴展區(qū)接近最終斷裂區(qū)域出現(xiàn)沿晶和韌窩混合形貌[ 見圖3d）]。隨著裂紋的擴展，兩件螺栓斷口在斷裂后期出現(xiàn)韌窩形貌，說明斷裂初期為脆性斷裂，由于最終斷裂的區(qū)域產生韌性斷裂，因此斷裂表面出現(xiàn)部分韌窩，最終韌性斷裂區(qū)域較少，韌窩形貌不明顯。
對兩件螺栓的斷裂面進行能譜分析，結果如表1所示。由表1可知：螺栓斷面不存在異常元素。
1.3 金相檢驗
在1，2 號螺栓斷口位置截取并制備金相試樣，用體積分數(shù)為3%~5%的硝酸乙醇溶液對試樣進行腐蝕，再將試樣置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：螺栓的顯微組織細小，未發(fā)現(xiàn)異常非金屬夾雜物。螺栓的斷裂區(qū)域顯微組織未發(fā)現(xiàn)異常情況，與其他正常區(qū)域組織相同，均為回火索氏體。
1.4 化學成分分析
在1，2 號螺栓斷口附近截取試樣，用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析，結果如表2所示。由表2可知：兩件斷裂螺栓的化學成分均符合GB/T 3077—2015對42CrMo鋼的要求。
1.5 硬度測試
在1，2號斷裂螺栓上截取試樣，對試樣進行洛氏硬度測試，結果如表3所示。由表3可知：斷裂螺栓的硬度符合GB/T 3098.1—2010對12.級螺栓的洛氏硬度要求，但結果接近標準要求的上限。
2、 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知：兩件斷裂螺栓的化學成分、硬度、顯微組織等各項指標均符合標準和設計要求。生產制造后對全部螺栓進行磁粉檢測，外部確認沒有裂紋。螺栓顯微組織正常，無冷卻速率過快或過熱的異常組織，因此可以確定裂紋是在后續(xù)使用過程中產生的。現(xiàn)場工況反饋沒有出現(xiàn)高負載作業(yè)，說明螺栓沒有過載受力。斷口宏觀形貌呈明顯的脆性斷裂特征，呈暗灰色，整體區(qū)域較平整，有撕裂棱線狀微條紋。斷口斷裂源區(qū)及擴展區(qū)主要呈沿晶斷裂特征，呈現(xiàn)冰糖狀斷口，并存在二次擴展裂紋；終斷區(qū)局部出現(xiàn)韌窩形貌，這是因為最后斷裂位置不是由氫原子擴散引起的。整個斷裂過程是由脆性斷裂引起的，最終導致整個螺栓頭部被撕裂，在最后斷裂位置出現(xiàn)小角度傾斜。引起螺栓掉頭的主要原因是螺栓斷面上的半圓形異常區(qū)域，這些異常區(qū)域的共同特征是位置為近外圓處、形狀為半圓形、呈沿晶斷裂特征、與正常區(qū)域有明顯界限等，所有這些特征均符合氫脆特征。
氫脆是指氫原子侵入材料的基體中，聚合成氫分子，體積膨脹產生極大的內壓，當其超過材料的強度極限時，在內部殘余應力或外加應力的共同作用下，材料內部形成微小裂紋，并使材料脆化，引起延遲斷裂現(xiàn)象。氫原子易于在零件外形急劇變化的應力集中區(qū)域聚集，且材料的強度越高，其氫脆敏感性越大。氫脆分為不可逆性和可逆性兩種情況，不可逆性是指氫已使材料產生裂紋，造成了永久性損傷；可逆性是指材料及時除氫后可以正常使用。
該螺栓中氫的來源可分為以下兩類：第一類是原材料中含有過量的氫；第二類是螺栓在制造和使用過程中，氫由外部環(huán)境侵入材料內部。該螺栓所用的原材料是鋼錠經過多次拉拔后的棒料，并且螺栓在制作過程中經過調質處理；另外從斷口上看，所有具有氫脆特征的半圓形區(qū)域均分布在螺栓的淺表面，因此可以排除原材料中含有過量氫的可能性，由于該螺栓經過調質處理，所以應考慮氫是在調質后的某一個環(huán)節(jié)進入到零件的淺表層。經調查證實，飛輪螺栓除在制造過程中經過酸洗外，其他制造和使用環(huán)節(jié)沒有和氫接觸的機會。高強度螺栓隨著強度的增大，其氫脆敏感性也會增大，文中斷裂的螺栓設計要求性能等級是12.9級，其硬度接近標準要求的上限，從理論角度分析，材料本身達到該等級螺栓較高的氫脆敏感性。酸洗過程中，材料會釋放出氫原子，若溶液酸性控制不好，氫脆的風險就會增大。
3、 結語及改進建議
3.1 結語
飛輪螺栓在制造過程中接觸到氫，氫原子滲入到螺栓的淺表面，后期由于除氫工藝不到位，因此未能將滲入基體的氫驅離干凈，而螺栓在把緊及使用過程中都存在拉應力，在拉應力的作用下，這部分氫在螺栓的應力集中部位（螺栓六角頭與螺桿交接處）聚集成氫分子并沿晶界擴散，弱化了晶界，繼而形成沿晶開裂，在螺栓內部產生微小裂紋。同時，內部的氫原子會繼續(xù)在微小裂紋處聚集，當應力在材料晶界位置積累到一定程度，超過晶界強度時，裂紋開始繼續(xù)擴展，最終在長時間的工作應力作用下，螺栓發(fā)生掉頭斷裂。
3.2 改進建議
（1）盡量縮短零件與氫介質之間的接觸時間，嚴格控制制造工藝中酸洗溶液的濃度、時間和溫度。同時，調整磷化工藝后的除氫時間和溫度。
（2）高強度鋼的氫脆敏感性較低強度鋼的氫脆敏感性高，因此在保證使用和設計要求的情況下，適當降低螺栓強度，以減小高強度螺栓對氫脆的敏感性。
（3）氫極易在應力集中處聚集，可根據(jù)使用情況和螺栓結構，適當加大六角頭與螺桿的過渡圓角，盡量減輕該處的應力集中。
作者：王祺瑞，張照巖，李明磊，劉寧，賀秀娜
單位：濰柴動力股份有限公司 國家內燃機產業(yè)計量測試中心
來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第10期
來源：理化檢驗物理分冊
