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某船用柴油机紧固螺母纵向开裂失效分析

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某柴油机上的紧固螺母在工作27h后出现批量性早期开裂现象,均为纵向裂纹,给生产厂家和用户造成了严重的经济损失。紧固螺母的失效将导致喷油嘴松脱和错位,甚至会影响柴油机的正常工作。紧固螺母的开裂有其自身的原因也有使用方面的因素。为找出紧固螺母出现开裂的原因,本文对开裂紧固螺母的断口形貌、金相组织、化学成分、硬度进行检测和综合分析。该紧固螺母的材质为40Cr,技术要求:调质处理,硬度31~35HRC。螺纹处加工方式为车削加工。
1. 检测方法
对开裂紧固螺母的宏观形貌进行检测记录。利用扫描电子显微镜(Quanta 200型环境扫描电镜)和金相显微镜(LECIA DM6000M)分别检测样品的开裂断口微观形貌和金相组织,然后取样用直读光谱仪(PDA-5500)测量其化学成分。洛氏硬度的测试在60CE型数显洛氏硬度计上进行,所施加的载荷为150kg(1kg=9.8N),加载时间为10s。维氏硬度值的测试在LM247 AT型显微维氏硬度检测仪上进行,所施加的载荷为300g,加载时间为10s。
2. 检验结果与分析
(1)断口宏观观察
图1为样品宏观图片,图2为断口宏观形貌。试样沿纵向表面出现贯穿性裂纹。将裂纹打开后超声清洗干净断口。观察发现,裂纹起始于第四颗齿的齿顶侧面处,断口新鲜、粗糙,有金属光泽,无腐蚀痕迹。


图1  样品宏观图片

图2  断口宏观形貌

(2)断口微观观察
裂纹源处断口形貌如图3~图6所示。裂纹起始于内表面第四颗齿靠近齿顶侧面。裂纹呈放射状向外表面扩展,基体组织呈现扭转状态,裂纹源处表面氧化,看不清真实形貌特征。

图3  断口形貌(10×)

图4 裂纹源处断口形貌(40×)

图5  裂纹源处断口形貌(1300×)

图6 裂纹源处断口形貌(1500×)


裂纹源附近断口形貌如图7所示。裂纹源附近及裂纹扩展区主要为准解理形貌,为典型疲劳断裂形貌特征,疲劳扩展区较小,约占整个断口面积的10%,说明样品受力较大。

图7 裂纹源附近断口形貌(2500×)

快速断裂区断口形貌如图8所示。快速断裂区主要为撕裂韧窝的韧性断裂,断裂纹路沿纵向。对裂纹源处内表面形貌进行分析,与相邻对应位置对比发现裂纹源处基体组织存在异常凸起,凸起组织与基体连续性不好。

图8  快速断裂区断口形貌(2000×)



裂纹源处内表面形貌如图9~图11所示,正常位置内表面形貌如图12所示。

图9  裂纹源处内表面形貌(100×)

图10 裂纹源处内表面形貌(250×)

图11  裂纹源处内表面形貌(500×)

图12  正常位置内表面形貌(100×)
(3)非金属夹杂物评定
对紧固螺母进行非金属夹杂物检测。硫化物类级别:0.5级(细系),氧化铝类级别:0.5级(细系),硅酸盐类级别:0.5级(细系),球状氧化物类级别:0.5级(细系),单颗粒非金属夹杂物级别:1级。
(4)金相组织
在裂纹源处取样进行金相组织分析。在裂纹源处存在微裂纹,裂纹两侧无脱碳现象,与形貌分析存在的基体组织异常凸起吻合。所选用的腐蚀剂为4%硝酸酒精溶液。裂纹源处金相组织:回火索氏体+少量铁素体,组织级别:2级,如图13~图15所示。

图13  裂纹源处形态(100×)

图14  裂纹源处金相组织(200×)

图15  裂纹源处金相组织(500×)


心部组织与裂纹源处组织一致,如图16所示。带状组织如图17所示,推测原材料带状组织为3级。

图16  心部金相组织(500×)

图17 带状组织(100×)


螺纹牙顶金相组织为回火索氏体+少量铁素体,与基体组织一致,如图18、图19所示。

图18  螺纹牙顶处金相组织(200×)

图19  螺纹牙顶处金相组(500×)

根据技术要求、图样以及相关标准的要求,该紧固螺母的金相组织合格。螺纹牙顶有明显的异常凸起及毛刺,牙底加工正常,如图20所示。

图20 螺纹牙顶处异常凸起(50×)

(5)化学成分分析
对紧固螺母进行化学成分分析,结果如表1所示。可见该紧固螺母的化学成分符合40Cr钢标准成分要求。

(6)硬度检测
检测了样品心部洛氏硬度,第一点41HRC,第二点41HRC,第三点42HRC。螺纹处维氏硬度分布曲线如图21所示。由图21可知,在距离螺纹表面0.05~0.65mm处硬度在390HV0.3(41HRC)左右,硬度变化不大。结合螺纹处金相组织和硬度检测,螺纹处无脱碳现象。从该紧固螺母的技术要求来看,心部和螺纹处硬度偏高。

图21  螺纹处硬度分布曲线

3. 综合分析
由断口及内表面形貌分析可知,裂纹起始于第四颗齿的齿顶侧面,呈放射状扩展,在靠近裂纹源区域为准解理疲劳断裂,占断口总面积的10%左右,疲劳扩展区域较小;快速断裂区域主要为撕裂韧窝的韧性断裂;由裂纹源内侧表面形貌可知,裂纹源处基体组织连续性不好,应该为表面折叠裂纹。
样品化学成分符合40Cr材料要求,硬度高于技术要求。由金相组织分析可知,在裂纹源处存在微裂纹,裂纹两侧无脱碳现象,说明裂纹为热处理后出现,应该为热处理后精加工成形过程中形成的表面折叠;螺纹处加工质量较差,牙顶有明显的异常凸起;裂纹源及心部金相组织无异常。
4. 结论与建议措施
根据紧固螺母的检测与分析,得出以下结论:
(1)样品应该是由于在裂纹源处存在原始表面微裂纹缺陷,在外力作用下裂纹于缺陷处萌生并发生快速疲劳断裂。
(2)螺纹位置的厚度较薄,不到2mm。最终导致螺纹缺陷在预紧力的作用下迅速沿纵向扩展,直至应力完全释放。
(3)材料硬度高于技术要求,导致材料韧性下降。结合该紧固螺母的实际情况,提出以下改进建议:
第一,降低零件的硬度要求,控制在28~32HRC。
第二,加厚螺纹位置处的厚度。
第三,换成韧性更好的材料,如42CrMo、40CrNiMo等。
第四,提高加工质量,加强对螺纹位置的检测。
5. 效果试验验证
我公司将紧固螺母的材料由40Cr更换为40CrNiMo,对螺纹精密加工,螺纹位置处的厚度加厚为2.8mm。
通过对紧固螺母的整改和试验,验证了上述结论,有效解决了该紧固螺母开裂故障。改进后的紧固螺母使用至今,均未发生开裂。
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