发动机螺栓断裂失效原因及机理研究.pdf

失效分析October,2023RECHULIJISHU YUZHUANGBEI2023年10 月Vol.44,No.5第44卷第5期热处理技术与装备发动机螺栓断裂失效原因及机理研究杨红燕，庄赛让，郭鲤?，简思聪，谢咏馨，陈颖欣？（1.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东广州510715；2.广东省科学院工业分析检测中心，广东广州510650)摘要：故障发动机被拆解后发现固定连杆轴瓦的螺栓发生了断裂，通过对断裂失效螺栓件进行宏观观察、化学成分分析、金相组织分析、力学性能测试及SEM断口形貌观察，确定了螺栓断裂的原因。结果表明,连杆螺栓断裂失效的主要原因是调质处理过程中回火不完全，组织中存在淬火马氏体，以及螺栓在滚丝过程中存在微裂纹缺陷，引起低周疲劳断裂。关键词：连杆螺栓；疲劳断裂；淬火马氏体；微裂纹中图分类号：TG115文献标识码：A文章编号：16 7 3-497 1（2 0 2 3）0 5-0 0 54-0 4Study on Cause and Mechanism of Engine Bolt Fracture FailureYANG Hong-yan,ZHUANG sai-rang,GUO Li?,JIAN Si-cong,XIE Yong-xin,CHEN Ying-xin?(1.CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited,Guangzhou Guangdong 510715,China;2.Industrial Analysis and Testing Center,Guangdong Academy of Sciences,Guangzhou Guangdong 510650,China)Abstract:When the faulty engine was disassembled,it was found that the bolt fixing the connecting rodbearing had broken.The cause of the bolt fracture was analyzed by means of macroscopic observation,chemical composition analysis,metallographic structure analysis,mechanical properties testing and SEMfracture morphology observation.The results showed that the fracture failure of connecting rod bolts wascaused by incomplete tempering during quenching and tempering,quenched martensite existed in thestructure,and microcrack defects in the process of bolt rolling,which caused low cycle fatigue fracture.Key words:connecting rod bolt;fatigue fracture;quenched martensite;microcrack某电厂设备用柴油发电机组进行常规检查时，发现其缸内连杆螺栓出现断裂现象，发动机组连杆螺栓的装配图及其宏观断裂形貌如图1所示。断裂螺栓的材料为42 CrMoA，性能等级按标准GB/T3098.12010中12.9级螺栓规定执行，热处理工艺为调质处理,硬度要求为表面硬度435HV,芯部硬度为38 5 435HV，螺栓的设计使用寿命为2 年，实际寿命150 h。本文通过对断裂失效螺栓件进行宏观观察、化学成分分析、金相组织分析、力学性能测试及SEM微观形貌观察，并结合连杆螺栓的安装全过程进行了全方位断裂原因分析，确定了螺栓断裂的原因，并提出了相应的改进措施，1理化检验1.1受力及宏观观察图2(a)为连杆螺栓与发动机组受力图,连杆的作用是连接连杆体与连杆盖，使其在任何情况下均可无间隙完全闭合。发动机在工作过程中，连杆将活塞承受的气体压力传给曲轴，使活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动，此时连杆螺栓主要承受收稿日期：2 0 2 3-0 5-13作者简介：杨红燕（197 4一），女，本科，高级工程师，主要从事化学分析及物理性能工作。通讯作者：郭鲤（198 8 一），男，硕士，工程师，主要从事物理性能评价及失效分析工作。联系电话：[phone];E-mail：g u o l i 2 0 0 8 0 97 5 16 3.c o m基金项目：广东省科学院发展专项资金项目（2 0 2 2 CDASZH-2022010109）。55第5期杨红燕等：发动机螺栓断裂失效原因及机理研究由活塞连杆往复运动惯性力的拉伸作用、装配时的预紧力及连杆旋转离心力的交变载荷 1-2)。图2(b)为螺栓断口宏观形貌，可以看出螺栓断口平齐，断口与螺栓轴向垂直，断口形貌呈贝壳状条纹分布 3，能够分辨出断裂源、扩展区和瞬断区，具有疲劳断裂的形貌特征。(a)连杆衬套连杆瓦连杆体连杆螺栓连杆盖（a)螺栓装配图；(b)断裂螺栓宏观形貌；（c)同批次的完好螺栓图1断裂螺栓的装配图及宏观形貌(a)assembly drawing of bolt;(b)macro morphology offracture bolt;(c)intact bolts in the same batchFig.1Assembly drawing and macro morphology of fracture bolta)(b)疲劳扩展区断裂源疲劳扩展区活塞连杆连杆螺栓断裂源疲劳瞬断区疲劳瞬断区曲轴（a）连杆螺栓与发动机组件装配位置；（b）螺栓断口宏观形貌图2 断裂螺栓的受力及断口宏观形貌(a)location of connecting rod bolts and engine;(b)macro morphology of bolt fractureFig.2TThe force and macro morphology of the fracture bolt1.2化学成分分析断裂螺栓强度等级为12.9 级，材质为42CrMoA，性能等级按标准GB/T3098.12010执行 4,在断裂螺栓失效件和完好件的相同部位切割取样，采用直读光谱进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知，连杆螺栓失效件和完好件的化学成分均符合标准CB/T30772015要求。表1连杆螺栓化学成分（质量分数，%）Table1Chemical composition of connecting rod bolts(mass fraction,%)样品CSiPSMnCrMoB断裂螺栓0.400.250.0060.0020.790.950.200.0002完好件0.400.250.0120.0020.770.960.190.0003标准要求0.380.450.170.370.0250.0250.500.800.90 1.200.150.250.0031.3金相组织分析在连杆螺栓断口附近截取横截面金相试样，经过粗磨、细磨和抛光处理后，腐蚀前观察试样的金相组织，并与完好件进行对比，如图3所示。由图3可知，试样中均出现了夹杂物，采用能谱仪对夹杂物进行成分分析，该夹杂物主要为硫化物。参照标准GB/T105612005中A法评定螺栓的夹杂物级别为A0.5级，而螺栓技术要求为不超过A2.5，因此螺栓夹杂物级别符合技术要求。(a)(b)200m200m(a)断裂螺栓；(b)完好件图3腐蚀前试样的金相组织(a)fracturebolt;(b)intactpartsFig.3Microstructure of the sample before corrosion采用4%硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀，腐蚀后试样的显微组织如图4、5所示。可以看出，试样的表层金相组织中均未发现明显的脱碳层，符合螺栓表面脱碳层不超过0.1mm的标准要求；同时存在回火索氏体和针状马氏体。(a)(b)100um100ml（a）断裂螺栓；（b）完好件图4腐蚀后试样的表层组织(a)fracture bolt;(b)intact partsFig.4Surface structure of the sample after corrosion1.4显微硬度检测按照标准GB/T4340.12009要求对连杆螺栓的表面和芯部进行维氏硬度检测，结果如表2 所示。56第44卷热处理技术与装备ab20um20m（a)断裂螺栓；(b）完好件图5螺栓的显微组织(a)fracturebolt;(b)intact partsFig.5Microstructure of bolt表2 连杆螺栓显微硬度（HVo.3)Table2Microhardness of connecting rod bolts(HVo.3)样品表面硬度芯部硬度差值断裂螺栓4033994完好件47044921标准要求435385435301.5力学性能测试按照标准GB/T3098.12010要求对连杆螺栓进行力学性能测试，由于失效连杆螺栓无法按照标准要求进行测试，故只测试完好件的力学性能，并与对比件（使用寿命2 年）进行对比，测试结果如表3所示。表3连杆螺栓力学性能测试结果Table3Test results of mechanical properties of connecting rod bolts样品规定塑性延伸强度/MPa抗拉强度/MPa断面收缩率/%完好件1439153552对比件1087120152（使用寿命2 年）标准要求11001220441.6断口形貌观察连杆螺栓断口的断裂源区、扩展区和瞬断区的微观形貌如图6 所示。螺栓断裂位置在第一个齿合螺纹处，裂纹源在螺纹的牙根部位，如图6（a）中箭头所指。对连杆螺栓断裂源的侧面螺纹进行观察，如图7所示。可以看到与断面交界的外表面存在许多微裂纹，同时在靠近断口的螺纹牙根处出现了与断面平行的微裂纹，该微裂纹可能是导致螺栓疲劳断裂的裂纹源 6 2分析与讨论根据以上分析结果可知，断裂螺栓的化学成分符合标准要求；螺栓夹杂物级别符合技术要求，且断a(b)裂纹源mmmA+5E2Da200210um(d)mm20mOA-SE2MD-214m0e）fmm10mO2027W-23mm（a,b)断裂源区；（c,d)扩展区；（e,f)瞬断区图6 螺栓断口微观形貌(a,b)fracture source area;(c,d)propagation zone;(e,f)transient break zoneFig.6 Microscopic morphology of bolt fracture surface断裂源区交界表面100m1mm断裂源区交界螺纹牙根100m图7 连杆螺栓断裂源区侧面螺纹微观形貌Fig.7Microscopic morphology of side thread in fracturesource area of connecting rod bolt裂螺栓和完好件表层组织中均未发现明显的脱碳层，符合螺栓表面脱碳层不超过0.1mm的要求。金相组织观察发现，调质处理后螺栓组织中除了有回火索氏体，还存在淬火时形成的细针状淬火马氏体，这表明螺栓的回火不够完全，组织中淬火马氏体未完全转化为回火索氏体（7-）。显微硬度检测结果表明，断裂螺栓的表面和芯部硬度均符合标准57：第5期杨红燕等：发动机螺栓断裂失效原因及机理研究要求，但完好件的表面和芯部硬度均超出标准范围。结合螺栓金相组织及制造工艺，推断可能是螺栓在热处理过程中回火不完全，或者机加工过程引起内应力和应力集中，造成硬度偏高；而在螺栓断裂失效后，内应力和应力集中可能得到了部分释放，导致螺栓表面和芯部硬度降低。力学性能测试结果表明，完好件的力学性能满足标准要求，并且抗拉强度和延伸强度均超过标准要求最低值约30%，而对比件的力学性能均低于标准要求的下限值。通常情况下，材料的强度、硬度越高,其韧性会降低，抗疲劳寿命也会随之降低。因此尽管完好件的力学性能满足标准要求，但过高的强度会导致材料韧性下降，容易造成螺栓过早疲劳断裂。通过观察断口形貌，在螺栓断裂扩展区可以明显看到疲劳辉纹以及撕裂棱存在，通过高倍观察可看到疲劳台阶之间分布着细小微裂纹以及夹杂物；瞬断区可以看到明显韧性断口形貌，通过高倍观察可看到明显韧窝特征 9-10 ，该区是由于应力过载而形成，该区面积较小，承受不了交变应力，因此呈现快速断裂的微观形貌。因此，该螺栓的断裂为低周疲劳断裂。3结论及建议连杆螺栓断裂失效属于低周疲劳断裂，造成该螺栓断裂的主要原因有：1)连杆螺栓在调质处理过程中回火不完全，组织中存在淬火马氏体，使其硬度超过标准范围，同时抗拉强度和屈服强度过高，导致连杆螺栓韧性下降，疲劳性能下降；2连杆螺栓在机加工过程中（滚丝）存在微裂纹缺陷，在连杆螺栓服役过程中，微裂纹在应力集中区附近能够快速演变为螺栓疲劳断裂源，随着裂纹源不断向螺栓内部扩展，最终导致螺栓无法承受交变载荷而发生瞬断，过早发生疲劳断裂失效。建议严格控制热处理工艺，包括回火温度和保温时间，确保调质处理后的金相组织为完全回火索氏体，保证螺栓硬度在标准范围内，同时重点关注螺栓的抗拉强度和屈服强度指标，在标准范围内应尽可能接近标准下限值，保证螺栓的韧性。另外，增加一道螺纹质检流程，降低螺纹微裂纹缺陷所造成的早期疲劳断裂风险参考文献1罗慧琪,陈启略,范汝兰，等.连杆螺栓断裂原因分析 J.热处理,2 0 2 1,36(2):46-47,50.2赵丹平，吴双群现代汽车发动机原理M.北京：北京大学出版社，2 0 10.3彭天鹏.某柴油机涨断连杆螺栓断裂失效研究与改进 J.装备制造技术，2 0 19(8）：112-114,12 9.4GB/T3098.12010紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱 S.5宗国庆，杨文庆，刘晓蓉等.酸性气体分离器螺栓断裂原因分析 J.热处理技术与装备，2 0 2 2，43（3）：52-55.6叶枫，陈旺湘，胡志豪，等.发动机连杆螺栓断裂失效分析 J.金属加工（热加工）,2 0 2 1（4）：7 7-8 0.7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），2 0 17，53（11）：8 33-8 36.8关文秀，姜涛.连杆螺栓断裂失效分析 J.失效分析与预防,2 0 13,8(5):2 8 2-2 8 6.9陆慧.连杆螺栓断裂原因 J.理化检验-物理分册，2022,58(8):54-57,60.10韩克甲，曹颖，陆亚楠.风电铁塔高强度螺栓断裂失效分析 J.热处理技术与装备，2 0 2 2,43（4）：36-38.