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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。
1. 檢測方法
對開裂緊固螺母的宏觀形貌進(jìn)行檢測記錄。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)測量其化學(xué)成分。洛氏硬度的測試在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。維氏硬度值的測試在LM247 AT型顯微維氏硬度檢測儀上進(jìn)行,所施加的載荷為300g,加載時(shí)間為10s。
2. 檢驗(yàn)結(jié)果與分析
(1)斷口宏觀觀察
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。


圖1  樣品宏觀圖片

圖2  斷口宏觀形貌

(2)斷口微觀觀察
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。對裂紋源處內(nèi)表面形貌進(jìn)行分析,與相鄰對應(yīng)位置對比發(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×)

圖10 裂紋源處內(nèi)表面形貌(250×)

圖11  裂紋源處內(nèi)表面形貌(500×)

圖12  正常位置內(nèi)表面形貌(100×)
(3)非金屬夾雜物評(píng)定
對緊固螺母進(jìn)行非金屬夾雜物檢測。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)。
(4)金相組織
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×)

(5)化學(xué)成分分析
對緊固螺母進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示??梢娫摼o固螺母的化學(xué)成分符合40Cr鋼標(biāo)準(zhǔn)成分要求。

(6)硬度檢測
檢測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,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

3. 綜合分析
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。
4. 結(jié)論與建議措施
根據(jù)緊固螺母的檢測與分析,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。
第二,加厚螺紋位置處的厚度。
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)對螺紋位置的檢測。
5. 效果試驗(yàn)驗(yàn)證
我公司將緊固螺母的材料由40Cr更換為40CrNiMo,對螺紋精密加工,螺紋位置處的厚度加厚為2.8mm。
通過對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。
圖片加載中...
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