摘 要:某天然氣公交車發動機主軸承蓋螺栓發生斷裂,通過宏觀觀察、化學成分分析、掃描電 鏡及能譜分析、硬度試驗和金相檢驗等方法,分析了螺栓斷裂的原因。結果表明:螺栓的失效模式 為氫脆斷裂;在服役過程中,螺栓在較長時間的應力作用下,其頭部圓角處産生應力集中,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散、聚集,當氫含量達到臨界值 時,裂紋擴展,最後導緻螺栓發生斷裂。

　　關鍵詞:天然氣;螺栓;氫脆斷裂

　　中圖分類号:TG144 文獻标志碼:B 文章編号:1001-4012(2022)01-0011-03

　　天然氣公交車具有燃料環保、經濟高效、行駛平 穩等特點,有助于改善城市空氣質量。斷裂螺栓安 裝在天然氣公交車的發動機上,為第2主軸承蓋排 氣側螺 栓。 該 斷 裂 螺 栓 為 12.9 級 螺 栓,材 料 為 1SCM435鋼,其生産工藝流程如下:進料→打頭→ 熱處理(調質處理)→滾矯直→滾牙→磷酸鋅處理→ 成品檢驗→包裝→出貨。該天然氣公交車發動機螺 栓發生了多起斷裂,斷裂位置均位于螺栓頭部圓角 處,斷裂率高達15.6%。

　　筆者通過宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡及 能譜分析、硬度試驗和金相檢驗等方法,并結合螺栓 的使用情況,對其斷裂原因進行分析,以避免該類事 故的再次發生。

　　1 理化檢驗

　　1.1 宏觀觀察

　　螺栓斷口的宏觀形貌如圖1所示,可見斷口大 部分區域較為平整、潔淨,斷面與螺栓軸向基本垂 直,未見明顯塑性變形區域,局部區域顔色較深。

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　　2 化學成分分析

　　從斷裂螺栓上取樣,對其進行化學成分分析,見​表1,螺栓的化學成分滿足客戶提供的技術要求。

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　　1.3 掃描電鏡及能譜分析

　　将螺栓斷口充分清洗後,置于 Quanta400FEG 型掃描電鏡(SEM)下觀察其形貌,如圖2a)所示,可 見斷口大部分區域較為平整,斷口主要分為四個區 域,區域IV 顔色較暗。将圖2a)中裂紋源區進一步 放大觀察,如圖2b),c)所示,可見沿晶斷裂和韌窩 形貌,有少量二次裂紋,局部晶面可見雞爪狀變形 紋。将 圖 2a)中 其 它 區 域 進 一 步 放 大 觀 察,如 圖2d)~g)所示,均可見韌窩形貌。​

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　　采用能譜儀(EDS)對裂紋源區和遠離裂紋源區進 行元素的定性半定量分析,結果見圖3,裂紋源區存在 鋅和磷元素,鋅元素質量分數高達3.64%,鋅元素是在 磷酸鋅處理過程中滲入的,該區域存在初始裂紋。

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　　1.4 硬度試驗

　　在螺栓斷口截取剖面試樣,經鑲嵌、磨抛後,采 用顯微硬度計進行硬度測試,試驗力為2.942N,測 得的維 氏 硬 度 分 别 為 426,453,442 HV0.3,根 據 GB/T1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》, 換算成洛氏硬度為43.8,45.7,45.1HRC,其硬度超 過客戶提供的技術要求(41~44HRC)。​

　　1.5 金相檢驗

　　在斷裂螺栓斷口裂紋源區和螺杆心部沿軸向截 取剖面試樣,經鑲嵌、磨抛和化學試劑浸蝕後,置于 光學顯微鏡下觀察其顯微組織。如圖4所示:螺栓 斷口裂紋源區可見沿晶開裂形貌特征,裂紋源區的 顯微組織為回火馬氏體,可見少量碳化物;螺杆心部 的顯微組織為回火馬氏體,可見少量碳化物。​

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　　2 分析與讨論

　　通過以上理化檢驗結果可知,螺栓的化學成分 滿足客戶提供的技術要求,螺栓硬度超過客戶提供 的技術要求。螺栓斷口裂紋源區的顯微組織為回火 馬氏體,螺杆心部的顯微組織為回火馬氏體。

　　斷裂發生于螺栓頭部圓角處,斷口大部分區域 較為平整、潔淨,斷面與軸向大緻垂直,未見明顯塑 性變形區域,局部區域顔色較深。由掃描電鏡分析 結果可知:裂紋源區可見沿晶開裂 二次裂紋 韌 窩的形貌特征,局部可見雞爪紋;其他區域呈韌窩形 貌特征。由能譜儀分析結果可知,裂紋源區存在鋅 和磷元素,這是在磷酸鋅表面處理過程中滲入的,裂 紋源區存在初始裂紋。 ​

　　該螺栓用于天然氣發動機中,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級螺栓,硬度較高,脆性較大,顯微組織為回火馬氏體, 對氫元素較為敏感。螺栓在較長時間的應力作用 下,其頭部圓角處産生應力集中,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 紋附近擴散、聚集,當氫含量達到臨界值時,裂紋擴 展,最後導緻螺栓發生斷裂,故判斷該螺栓斷裂性質 為氫脆斷裂。

　　3 結論及建議

　　(1)該螺栓斷裂性質為氫脆斷裂。螺栓在較長 時間的應力作用下,其頭部圓角處産生應力集中,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散、聚集,當氫含量達 到臨界值時,裂紋擴展,最後導緻螺栓發生斷裂。

　　(2)通過降低材料中氫元素的含量、采用低氫 擴散性和低氫溶解度的鍍層以及鍍前去應力和鍍後 去氫,可避免材料發生氫脆斷裂。​

　　文章來源 材料與測試網 期刊論文 理化檢驗－物理分冊 58卷 1期 (pp:11-13)

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