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1、船用柴油机连杆螺栓断裂分析摘 要：通过宏观检验、断口分析、光谱分析、金相检验、硬度测试等方法，对螺栓断裂的原因进行了分析。认为大颗粒硫化物夹杂及其富集破坏了基体连续性，发生了脆性断裂，并提出了改进建议，可供以后类似连杆螺栓的使用和检修参考。关键词：18Cr2Ni4WA 连杆螺栓 失效分析 非金属夹杂物Fracture Analysis Connecting Rod Bolt for Marine Diesel EnginesChe Quan-wei(Dalian COSCO KHI Ship Engineering CO.,LTD,Dalian Liaoning 116052)Abstract
2、：By means of macroscopic examination,fracture analysis,spectral analysis,metallographic examination,hardness testing and soon,the fracture reason of the bolt was analyzed.The results showthat the fracture was mainly caused by no-metallic inclusion，suggestions for improvement were put forward，which c
3、an be used forreference for the subsequent use and maintenance of similar connectingrod bolts。Keywords：18Cr2Ni4WA connecting rod bolt;failure analysis;no-metallic inclusion;引言大部分螺栓由于不是核心零件而常常被忽视，但其作为一种紧固件，起着紧固连接两个或两个以上零件的作用，受力状态复杂，船用连杆在工作中主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，这个载荷使螺栓承受交变的脉动载荷，而连杆螺栓因其尺寸受到限制，存在严重的应力
4、集中，故比其它的零件更容易发生断裂失效。因此对螺栓等紧固件进行失效分析具有重要的理论和实践意义。某船用连杆螺栓为 M22 螺栓，材料为 18Cr2Ni4WA 钢，因其是一种合金元素含量较高的优质马氏体渗碳钢，具有很好的淬透性，能获得较高的强度和韧性，能承受重载荷与振动的高强度调质零件而作为重型机械连杆螺栓用钢。安装调试运行后发现个别螺栓发生了断裂。该螺栓工艺流程为锻造后调质。为查明该螺栓断裂的原因，避免类似失效的再次发生，笔者对断裂螺栓进行了理化检验和失效分析。1 理化检验理化检验是指依靠量具、仪器或检测设备、试剂等应用物理或化学的方法对产品或样件进行检验并获得检验结果的方法，是检测和确保产品
5、内在质量的重要手段，同时它在新产品、新材料、测试技术研究和失效分析研究中，具有重要的基础作用。1.1 宏观检验送检的断裂螺栓形貌，如图 1 所示；宏观观察表面未见凹痕、毛刺、浮锈、烧伤等缺陷；螺纹完整，表面光洁，无碰伤、划痕和裂纹。连杆螺栓断裂发生在螺栓的头部与螺柱结合处，如图 2 所示；瞬断区大疲劳区小，判断表面为快速断裂脆性断口，如图 3 所示；局部存在明显锈蚀痕迹，螺栓头部及螺柱存在纵向裂纹，裂纹深约至 2/3 螺柱处，如图 4 所示。图 1连杆螺栓形貌图 2螺栓断裂部位图 3螺栓断口形貌（头部）图 4螺栓断口形貌（螺柱）1.2 化学成分分析在断裂螺栓上取样通过热电 ARL3460 直读
6、光谱仪进行化学成分分析，结果见表 1。表 1 断裂螺栓的化学成分（质量分数）%项目CMniSSPNirCW实测值.170.390.270110.0130.0.094.481.990标准值0.13-0.19.30-0.17-00.0350.0354.00-4.50.35-1.80-00.600.371.651.20根据表 1 数据分析可知，断裂螺栓各元素均符合 GB/T 3077-2015 对18Cr2Ni4WA 钢的技术要求。1.3 金相检验金相检验是应用金相学的方法检查金属材料的宏观和纤维组织的工作，是工业生产中检验金属内部组织结构的重要手段，在失效分析方面广泛应用，对一些常见的弊病鉴定很方
7、便。如机件表面脱碳；纤维裂纹的形貌及分布特征；热处理缺陷；热处理后的不正常组织；晶界脆性相析出等。这些金相分析检验的结果常作为故障分析的根据。在断裂螺栓裂纹部位截取金相试样，对螺柱的裂纹处和完好处分别取样并进行金相检验，依据金相检验分析图可知：连杆螺栓的螺柱裂纹垂直于螺柱表面，沿晶扩展，起裂于螺柱表面（螺柱外表面已经过加工），呈外扩内窄，向螺柱心部扩展，腐蚀后观察，裂纹两侧无氧化脱碳现象，如图 5-8 所示；裂纹断口处存在非金属夹杂物，依据 GB/T10561-2005 标准其基体非金属夹杂物评定为 A（硫化物类）2.5，B（氧化铝类）0.5，C（硅酸盐类）0.5 级，D（环状氧化物类）0 级
8、，如图 9-10 所示；依据 GB/T6394-2017 标准，晶粒度评定为 8 级，如 11 所示；经体积分数为 4%的硝酸酒精溶液侵蚀后置于光学显微镜下观察，发现连杆螺栓的显微组织为回火索氏体，符合调质处理的显微组织状态。回火索氏体是马氏体的一种回火组织，是铁素体与粒状碳化物的混合物，具有良好的韧性和塑性，同时具有较高的强度和硬度，具有良好的综合力学性能。图 5裂纹起始部位形貌（腐蚀前）100图 6裂纹末端裂纹形貌（腐蚀前）100图 7裂纹起始部位形貌（腐蚀后）100图 8裂纹末端裂纹形貌（腐蚀后）100图 9裂纹断口处存在的非金属夹杂物500图 10连杆螺栓基体非金属夹杂物形貌 100图
9、 11连杆螺栓基体组织5001.4 力学性能试验为验证连杆螺栓的力学性能是否满足标准要求，从断裂螺栓上取样，依据GB/T228.1-2021金属材料拉伸试验 第 1 部分：室温拉伸方法、GB/T229-2020金属材料夏比摆锤冲击试验法、GB/T231.1-2018金属材料 布氏硬度试验 第 1 部分：试验方法进行室温拉伸试验、冲击试验和布氏硬度试验，试验结果均满足技术参数要求。使用显微硬度计对螺栓进行显微硬度测试，实验力 100g，试验力保持时间10s。测试结果 432，427，420，408，406，413，419，425，429 平均值为 420。该螺栓经过调质热处理，螺栓表面高于心部硬
10、度，根据 GB/T3098.1-2010 判断，该螺栓的硬度值在正常范围内。2 分析和讨论理化检验结果证明，该螺栓的化学成分和力学性能均符合要求，不是裂纹缺陷的主要原因。螺栓断口的宏观及微观形貌观察，螺栓显微组织正常，但硫化物夹杂超标，在裂纹周围存在大量的大颗粒硫化物夹杂，并存在硫化物富集的现象。这些硫化物夹杂来自于炼钢工序，其性能硬而脆，会在基体材料中形成割裂，由于非金属夹杂物的存在，破坏了金属基体的连续性，当金属承受载荷特别是动载荷时，易造成应力集中，使螺栓的力学性能下降。由于夹杂物与基体金属的弹性和塑性有相当大的差别，所以在金属的变形过程中夹杂物不随基体做相应的变形，则在它的周围聚集愈来
11、愈大的应力，促使夹杂物与基体界面脱开而产生裂纹。因此当承受装配带来的预紧力等受力时，有夹杂的部分与基体间就会出现裂纹并不断扩展直至断裂。后期建议厂家加强对夹杂物控制，选择有正规资质和有能力生产的厂家，并要求出具检测合格的报告，此外新购买的螺栓应按相关标准进行严格的入厂检验，经检验合格后方可安装使用。安装前认真进行外观检查和清洁，并检查螺栓与螺母的配合情况，应无卡阻和松动现象；上紧螺栓的方法和预紧力的大小均应按柴油机说明书的规定进行。因为预紧力过大或过小、各螺栓的预紧力不均匀等均不能保证其工作的可靠性。经改进持续跟踪一年未发现此类脆性断裂。3 结论综合上述检验结果，连杆螺栓中存在大颗粒的非金属夹杂物，破坏连杆螺栓基体的连续性，当金属承受载荷特别是动载荷时造成应力集中，导致螺栓头部与杆部脆裂。参考文献：1 王海荣等.船用柴油机 40Cr 连杆螺栓断裂分析J.材料开发与应用，2015(4)76-782 赵勇等.风力发电机浆叶连杆螺栓断裂原因J.理化检验-物理分册，2020(10)54-573 钟群鹏，周煜，张峥.裂纹学M.北京：高等教育出版社，2014.4 潘伟等.柴油发电机固定螺钉断裂失效分析J.理化检验-物理分册，2019(3)209-2135 袁峰，靳宝宏，门菲.发动机连杆螺栓断裂原因分析J.理化检验-物理分册，2017(11)833-836