柴油发电机主轴承螺栓断裂分析

姜 君， 赵登川， 朱吉印， 季昕阳， 吴国清

（1. 中国原子能科学院，北京 102413；2. 北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京 100191；3. 临沂高新区双航材料科技有限公司，山东 临沂 276000）

0 引言

螺栓作为一种基础性机械连接件，广泛应用于各个领域的机械产品与装备中，承担着极其重要的紧固连接作用，因此螺栓的失效往往会带来非常严重的后果[1-3]。

特种设备专用的2台应急供电柴油发电机组在定期启动检查及保养时，发现柴油发电机组主轴承12根紧固螺栓中部分断裂（1台断裂8根、1台断裂4根），且断裂螺栓所处位置随机。经查，该柴油发电机组作为一种应急备用电源，在厂房内已安装并服役 12 a，柴油机功率为 281 kW、转速为1500 r/min，每月进行1次空载启动检查，运行时间为 20 min，累计运行时长约 48 h。断裂螺栓的材质为18Cr2Ni4WA，属高强度结构钢，具有优良的强韧性、低温冲击性能，一般用于截面较大、载荷较高且缺口敏感性低的重要零部件[4-5]。上述材质螺栓在如此短的工作时长内发生断裂是不寻常的。在螺栓的断裂失效中，由于材质或加工缺陷导致其失效的现象较为常见，且断口形貌最能反应螺栓断裂模式与性质[6]；因此，对断裂螺栓组分、力学性能及断裂面进行观察、分析是十分必要的。

本研究对断裂螺栓残件的化学成分、抗拉强度、硬度等进行检测，并对其断口宏观、微观形貌特征进行观察、分析，确定该紧固螺栓断裂的性质及原因。

1 试验方法与结果

随机选取2根断裂螺栓（图1）进行失效分析，检测试样编号为1、2。2根螺栓均断裂于螺纹前端部。

1.1 成分分析

在2根断裂螺栓上分别取检测试样，使用GNR S3电火花直读光谱仪进行成分检测，结果见表1。由此可以看出：2根断裂螺栓的化学成分一致性较好；与标准值对比，除Cu元素含量高出标准值外，其余元素的含量均满足标准要求。

图1 断裂螺栓宏观形貌Fig.1 Macro morphology of fractured bolts

表1 断裂螺栓化学成分（质量分数/%）Table 1 Chemical composition of fractured bolts (mass fraction/%)

1.2 力学性能分析

对2根断裂螺栓的室温抗拉强度和硬度进行检测，结果如图2所示。2根螺栓的抗拉强度分别为 1456、1433 N/mm2，远高于设计要求（≥1220 N/mm2）。两者硬度分布范围为 HB 430～440，且两螺栓批次间一致性较好，平均硬度分别为HB 434.0、433.7，均高于计标准（HB 365～413）。

1.3 断口分析

为精准定位螺栓断裂原因，采用PHENOM PROX型扫描电子显微镜对螺栓断口形貌进行观察与分析，获得断口宏观形貌特征（图3）。可以看出，该断口形貌与常规光滑疲劳试样的断口相似，为典型的疲劳断裂断口。断面主要由3个典型区域组成：疲劳裂纹源区（Ⅰ）、裂纹扩展区（Ⅱ）以及瞬断区（Ⅲ）。其中，疲劳裂纹源区内有数个可见的典型疲劳裂纹源，并且主要集中在试样表面（图3中红色箭头所指区域），所占面积较小；裂纹扩展区断面平坦，占整个疲劳断口的绝大部分；瞬断区断口形貌与常规静载断裂的断口形貌极为相似，是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域，断面相对粗糙。

图2 断裂螺栓的力学性能Fig.2 Mechanical properties of fractured bolts

图3 螺栓断口宏观形貌Fig.3 Macro morphology of the bolt fracture

进一步分析图3所标区域的疲劳裂纹源细节，发现部分裂纹源处存在黑色物质（图4a），疑为油污污染痕迹。对试样进行二次丙酮浸泡并辅以强力毛刷刷洗后重新观察，原裂纹源处的黑色物质得以基本去除，呈现出光亮的疲劳裂纹源特征（图4b），说明在螺栓断裂后，出现部分油污渗入断面裂纹现象。另外，裂纹源区离螺栓表面较近，具有明显的反复挤压、摩擦痕迹。类似的典型疲劳裂纹源还有数处，见图4c～图4e（分别对应图3中的2～4号区域），对比分析发现，裂纹源区颜色较浅，断面相对平坦，具有明显的放射状花纹，且大小不一。

2 分析与讨论

断裂螺栓的化学成分除Cu元素超标外，其余均满足设计标准要求，表明其断裂与材质无直接关系。由螺栓断口形貌观察分析结果可知，断口处未见明显的塑性变形，存在多个萌生于样品表面的疲劳裂纹源，且裂纹源附近存在明显的反复挤压、摩擦痕迹，以及裂纹扩展区面积占比大。基于以上断口特征和参考微动疲劳判断原则[6-7]，可认定该螺栓断裂是由于微动疲劳所致。在各种装备系统中，只要接触件之间作微幅相对运动，就会出现微动损伤，如果接触件同时受到交变载荷的作用，就会出现微动疲劳问题[8-9]。有研究表明，微动作用会导致连接件表面产生多种形式的损伤，例如凹坑、划痕、氧化物、碎屑、表面塑性变形以及表面开裂等，与无微动时相比，在微动条件下，只需要很小的循环次数，即可导致裂纹在微动损伤处产生，从而大幅降低连接件的使用寿命[10]；因此，本研究中的螺栓会在如此短的工作时长内发生断裂。

图4 螺栓断口疲劳裂纹源区微观形貌Fig.4 Micro morphology of fatigue crack source for the bolt fracture

另外，从断裂螺栓的力学性能分析看，其抗拉强度高出设计要求值约18%，硬度值已超出设计要求范围上限约5%，如此高的强度和硬度意味着对氢脆和应力腐蚀的敏感性增强[11-12]。对实际螺栓而言，由于螺纹本身属于应力集中的区域，如此高的强度和硬度更容易使微动裂纹扩展，而发生疲劳断裂。

3 结论

1）螺栓断口处存在数处大小不一的疲劳裂纹源特征，且裂纹扩展区较大，表现出微动疲劳断裂特征，其断裂原因应为使用过程中的微动疲劳所致。

2）螺栓化学成分满足设计标准，抗拉强度高于设计要求，疲劳断裂虽与材质无直接关系，但硬度超出设计范围，对螺栓的疲劳性能有不利的影响。