某船用柴油機(jī)緊固螺母縱向開裂失效分析
某柴油機(jī)上的緊固螺母在工作27h后出現(xiàn)批量性早期開裂現(xiàn)象，均為縱向裂紋，給生產(chǎn)廠家和用戶造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。緊固螺母的失效將導(dǎo)致噴油嘴松脫和錯(cuò)位，甚至?xí)绊懖裼蜋C(jī)的正常工作。緊固螺母的開裂有其自身的原因也有使用方面的因素。為找出緊固螺母出現(xiàn)開裂的原因，本文對(duì)開裂緊固螺母的斷口形貌、金相組織、化學(xué)成分、硬度進(jìn)行檢測(cè)和綜合分析。該緊固螺母的材質(zhì)為40Cr，技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)處理，硬度31~35HRC。螺紋處加工方式為車削加工。對(duì)開裂緊固螺母的宏觀形貌進(jìn)行檢測(cè)記錄。利用掃描電子顯微鏡（Quanta 200型環(huán)境掃描電鏡）和金相顯微鏡（LECIA DM6000M）分別檢測(cè)樣品的開裂斷口微觀形貌和金相組織，然后取樣用直讀光譜儀（PDA-5500）測(cè)量其化學(xué)成分。洛氏硬度的測(cè)試在60CE型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行，所施加的載荷為150kg（1kg=9.8N），加載時(shí)間為10s。維氏硬度值的測(cè)試在LM247 AT型顯微維氏硬度檢測(cè)儀上進(jìn)行，所施加的載荷為300g，加載時(shí)間為10s。圖1為樣品宏觀圖片，圖2為斷口宏觀形貌。試樣沿縱向表面出現(xiàn)貫穿性裂紋。將裂紋打開后超聲清洗干凈斷口。觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋起始于第四顆齒的齒頂側(cè)面處，斷口新鮮、粗糙，有金屬光澤，無腐蝕痕跡。
裂紋源處斷口形貌如圖3～圖6所示。裂紋起始于內(nèi)表面第四顆齒靠近齒頂側(cè)面。裂紋呈放射狀向外表面擴(kuò)展，基體組織呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，裂紋源處表面氧化，看不清真實(shí)形貌特征。
圖3 斷口形貌（10×）
圖4 裂紋源處斷口形貌（40×）
圖5 裂紋源處斷口形貌（1300×）
圖6 裂紋源處斷口形貌（1500×）
裂紋源附近斷口形貌如圖7所示。裂紋源附近及裂紋擴(kuò)展區(qū)主要為準(zhǔn)解理形貌，為典型疲勞斷裂形貌特征，疲勞擴(kuò)展區(qū)較小，約占整個(gè)斷口面積的10%，說明樣品受力較大。
圖7 裂紋源附近斷口形貌（2500×）
快速斷裂區(qū)斷口形貌如圖8所示。快速斷裂區(qū)主要為撕裂韌窩的韌性斷裂，斷裂紋路沿縱向。對(duì)裂紋源處內(nèi)表面形貌進(jìn)行分析，與相鄰對(duì)應(yīng)位置對(duì)比發(fā)現(xiàn)裂紋源處基體組織存在異常凸起，凸起組織與基體連續(xù)性不好。
圖8 快速斷裂區(qū)斷口形貌（2000×）
裂紋源處內(nèi)表面形貌如圖9～圖11所示，正常位置內(nèi)表面形貌如圖12所示。
圖9 裂紋源處內(nèi)表面形貌（100×）
對(duì)緊固螺母進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)。硫化物類級(jí)別：0.5級(jí)（細(xì)系），氧化鋁類級(jí)別：0.5級(jí)（細(xì)系），硅酸鹽類級(jí)別：0.5級(jí)（細(xì)系），球狀氧化物類級(jí)別：0.5級(jí)（細(xì)系），單顆粒非金屬夾雜物級(jí)別：1級(jí)。在裂紋源處取樣進(jìn)行金相組織分析。在裂紋源處存在微裂紋，裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象，與形貌分析存在的基體組織異常凸起吻合。所選用的腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液。裂紋源處金相組織：回火索氏體+少量鐵素體，組織級(jí)別：2級(jí)，如圖13～圖15所示。
圖13 裂紋源處形態(tài)（100×）
圖14 裂紋源處金相組織（200×）
圖15 裂紋源處金相組織（500×）
心部組織與裂紋源處組織一致，如圖16所示。帶狀組織如圖17所示，推測(cè)原材料帶狀組織為3級(jí)。
圖16 心部金相組織（500×）
圖17 帶狀組織（100×）
螺紋牙頂金相組織為回火索氏體+少量鐵素體，與基體組織一致，如圖18、圖19所示。
圖18 螺紋牙頂處金相組織（200×）
圖19 螺紋牙頂處金相組（500×）
根據(jù)技術(shù)要求、圖樣以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，該緊固螺母的金相組織合格。螺紋牙頂有明顯的異常凸起及毛刺，牙底加工正常，如圖20所示。
圖20 螺紋牙頂處異常凸起（50×）
對(duì)緊固螺母進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。可見該緊固螺母的化學(xué)成分符合40Cr鋼標(biāo)準(zhǔn)成分要求。
檢測(cè)了樣品心部洛氏硬度，第一點(diǎn)41HRC，第二點(diǎn)41HRC，第三點(diǎn)42HRC。螺紋處維氏硬度分布曲線如圖21所示。由圖21可知，在距離螺紋表面0.05~0.65mm處硬度在390HV0.3（41HRC）左右，硬度變化不大。結(jié)合螺紋處金相組織和硬度檢測(cè)，螺紋處無脫碳現(xiàn)象。從該緊固螺母的技術(shù)要求來看，心部和螺紋處硬度偏高。
圖21 螺紋處硬度分布曲線
由斷口及內(nèi)表面形貌分析可知，裂紋起始于第四顆齒的齒頂側(cè)面，呈放射狀擴(kuò)展，在靠近裂紋源區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)解理疲勞斷裂，占斷口總面積的10%左右，疲勞擴(kuò)展區(qū)域較小；快速斷裂區(qū)域主要為撕裂韌窩的韌性斷裂；由裂紋源內(nèi)側(cè)表面形貌可知，裂紋源處基體組織連續(xù)性不好，應(yīng)該為表面折疊裂紋。樣品化學(xué)成分符合40Cr材料要求，硬度高于技術(shù)要求。由金相組織分析可知，在裂紋源處存在微裂紋，裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象，說明裂紋為熱處理后出現(xiàn)，應(yīng)該為熱處理后精加工成形過程中形成的表面折疊；螺紋處加工質(zhì)量較差，牙頂有明顯的異常凸起；裂紋源及心部金相組織無異常。根據(jù)緊固螺母的檢測(cè)與分析，得出以下結(jié)論：（1）樣品應(yīng)該是由于在裂紋源處存在原始表面微裂紋缺陷，在外力作用下裂紋于缺陷處萌生并發(fā)生快速疲勞斷裂。（2）螺紋位置的厚度較薄，不到2mm。最終導(dǎo)致螺紋缺陷在預(yù)緊力的作用下迅速沿縱向擴(kuò)展，直至應(yīng)力完全釋放。（3）材料硬度高于技術(shù)要求，導(dǎo)致材料韌性下降。結(jié)合該緊固螺母的實(shí)際情況，提出以下改進(jìn)建議：第一，降低零件的硬度要求，控制在28~32HRC。
第三，換成韌性更好的材料，如42CrMo、40CrNiMo等。第四，提高加工質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)螺紋位置的檢測(cè)。我公司將緊固螺母的材料由40Cr更換為40CrNiMo，對(duì)螺紋精密加工，螺紋位置處的厚度加厚為2.8mm。通過對(duì)緊固螺母的整改和試驗(yàn)，驗(yàn)證了上述結(jié)論，有效解決了該緊固螺母開裂故障。改進(jìn)后的緊固螺母使用至今，均未發(fā)生開裂。
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