摘 要:某天然气公交车发起机主轴承盖螺栓产生开裂,经过微观调查、化学成分剖析、扫描电 镜及能谱剖析、硬度实验和金相查验等办法,剖析了螺栓开裂的原因。依据成果得出:螺栓的失效形式 为氢脆开裂;在执役过程中,螺栓在较长时刻的应力效果下,其头部圆角处产生应力会集,且存在初 始裂纹,螺栓、水汽和天然气中的微量氢元素向螺栓初始裂纹邻近分散、集合,当氢含量到达临界值 时,裂纹扩展,最终导致螺栓产生开裂。

  天然气公交车具有燃料环保、经济高效、行进平 稳等特色,有助于改进城市空气质量。开裂螺栓安 装在天然气公交车的发起机上,为第2主轴承盖排 气侧螺 栓。 该 断 裂 螺 栓 为 12.9 级 螺 栓,材 料 为 1SCM435钢,其出产的根本工艺流程如下:进料→打头→ 热处理(调质处理)→滚矫直→滚牙→磷酸锌处理→ 制品查验→包装→出货。该天然气公交车发起机螺 栓产生了多起开裂,开裂方位均坐落螺栓头部圆角 处,开裂率高达15.6%。

  笔者经过微观调查、化学成分剖析、扫描电镜及 能谱剖析、硬度实验和金相查验等办法,并结合螺栓 的使用情况,对其开裂原因做多元化的剖析,以防止该类事 故的再次产生。

  螺栓断口的微观描摹如图1所示,可见断口大 部分区域较为平坦、洁净,断面与螺栓轴向根本垂 直,未见显着塑性变形区域,部分区域色彩较深。

  从开裂螺栓上取样,对其进行化学成分剖析,见表1,螺栓的化学成分完成用户供给的技能要求。

  将螺栓断口充沛清洗后,置于 Quanta400FEG 型扫描电镜(SEM)下调查其描摹,如图2a)所示,可 见断口大部分区域较为平坦,断口大致上能够分为四个区 域,区域IV 色彩较暗。将图2a)中裂纹源区进一步 扩大调查,如图2b),c)所示,可见沿晶开裂和韧窝 描摹,有少数二次裂纹,部分晶面可见鸡爪状变形 纹。将 图 2a)中 其 它 区 域 进 一 步 放 大 观 察,如 图2d)~g)所示,均可见韧窝描摹。

  选用能谱仪(EDS)对裂纹源区和远离裂纹源区进 行元素的定性半定量剖析,成果见图3,裂纹源区存在 锌和磷元素,锌元素质量分数高达3.64%,锌元素是在 磷酸锌处理过程中进入的,该区域存在初始裂纹。

  在螺栓断口截取剖面试样,经镶嵌、磨抛后,采 用显微硬度计进行硬度测验,实验力为2.942N,测 得的维 氏 硬 度 分 别 为 426,453,442 HV0.3,根 据 GB/T1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》, 换算成洛氏硬度为43.8,45.7,45.1HRC,其硬度超 过客户供给的技能方面的要求(41~44HRC)。

  在开裂螺栓断口裂纹源区和螺杆心部沿轴向截 取剖面试样,经镶嵌、磨抛和化学试剂浸蚀后,置于 光学显微镜下调查其显微安排。如图4所示:螺栓 断口裂纹源区可见沿晶开裂描摹特征,裂纹源区的 显微安排为回火马氏体,可见少数碳化物;螺杆心部 的显微安排为回火马氏体,可见少数碳化物。

  经过以上理化查验成果可知,螺栓的化学成分 完成用户供给的技能方面的要求,螺栓硬度超越客户供给 的技能方面的要求。螺栓断口裂纹源区的显微安排为回火 马氏体,螺杆心部的显微安排为回火马氏体。

  开裂产生于螺栓头部圆角处,断口大部分区域 较为平坦、洁净,断面与轴向大致笔直,未见显着塑 性变形区域,部分区域色彩较深。由扫描电镜剖析 成果可知:裂纹源区可见沿晶开裂+二次裂纹+韧 窝的描摹特征,部分可见鸡爪纹;其他区域呈韧窝形 貌特征。由能谱仪剖析成果可知,裂纹源区存在锌 和磷元素,这是在磷酸锌外表处理过程中进入的,裂 纹源区存在初始裂纹。

  该螺栓用于天然气发起机中,天然气的首要成 分为烷烃,其间甲烷占绝大部分,还有少数的乙烷、 丙烷和丁烷,以及硫化氢、二氧化碳、氮、水气和少数 一氧化碳及微量的稀有气体等。该螺栓为12.9级螺栓,硬度较高,脆性较大,显微安排为回火马氏体, 对氢元素较为灵敏。螺栓在较长时刻的应力效果 下,其头部圆角处产生应力会集,且该处存在初始裂 纹,螺栓、水汽和天然气中微量的氢均向螺栓初始裂 纹邻近分散、集合,当氢含量到达临界值时,裂纹扩 展,最终导致螺栓产生开裂,故判别该螺栓开裂性质 为氢脆开裂。

  (1)该螺栓开裂性质为氢脆开裂。螺栓在较长 时刻的应力效果下,其头部圆角处产生应力会集,且 该处存在初始裂纹,螺栓、水汽和天然气中微量的氢 元素均向螺栓初始裂纹邻近分散、集合,当氢含量达 到临界值时,裂纹扩展,最终导致螺栓产生开裂。

  (2)经过下降材猜中氢元素的含量、选用低氢 分散性和低氢溶解度的镀层以及镀前去应力和镀后 去氢,可防止资料产生氢脆开裂。