某天然气公交车发动机主轴承盖螺栓断裂原因

沙 菲

(上海材料研究所，上海 200437)

天然气公交车具有燃料环保、经济高效、行驶平稳等特点，有助于改善城市空气质量。断裂螺栓安装在天然气公交车的发动机上，为第2主轴承盖排气侧螺栓。该断裂螺栓为12.9级螺栓，材料为1SCM435钢，其生产工艺流程如下：进料→打头→热处理(调质处理)→滚矫直→滚牙→磷酸锌处理→成品检验→包装→出货。该天然气公交车发动机螺栓发生了多起断裂，断裂位置均位于螺栓头部圆角处，断裂率高达15.6%。

笔者通过宏观观察、化学成分分析、扫描电镜及能谱分析、硬度试验和金相检验等方法，并结合螺栓的使用情况，对其断裂原因进行分析，以避免该类事故的再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

螺栓断口的宏观形貌如图1所示，可见断口大部分区域较为平整、洁净，断面与螺栓轴向基本垂直，未见明显塑性变形区域，局部区域颜色较深。

图1 螺栓断口的宏观形貌

1.2 化学成分分析

从断裂螺栓上取样，对其进行化学成分分析，见表1，螺栓的化学成分满足客户提供的技术要求。

表1 断裂螺栓的化学成分

1.3 扫描电镜及能谱分析

将螺栓断口充分清洗后，置于Quanta400FEG型扫描电镜(SEM)下观察其形貌，如图2a)所示，可见断口大部分区域较为平整，断口主要分为四个区域，区域IV颜色较暗。将图2a)中裂纹源区进一步放大观察，如图2b),c)所示，可见沿晶断裂和韧窝形貌，有少量二次裂纹，局部晶面可见鸡爪状变形纹。将图2a)中其它区域进一步放大观察，如图2d)～g)所示，均可见韧窝形貌。

图2 螺栓断口不同区域的SEM形貌

采用能谱仪(EDS)对裂纹源区和远离裂纹源区进行元素的定性半定量分析，结果见图3，裂纹源区存在锌和磷元素，锌元素质量分数高达3.64%，锌元素是在磷酸锌处理过程中渗入的，该区域存在初始裂纹。

图3 螺栓断口裂纹源区和远离裂纹源区的SEM形貌和EDS分析结果

1.4 硬度试验

在螺栓断口截取剖面试样，经镶嵌、磨抛后，采用显微硬度计进行硬度测试，试验力为2.942 N，测得的维氏硬度分别为426，453，442 HV0.3，根据GB/T 1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》，换算成洛氏硬度为43.8，45.7，45.1 HRC，其硬度超过客户提供的技术要求(41～44 HRC)。

1.5 金相检验

在断裂螺栓断口裂纹源区和螺杆心部沿轴向截取剖面试样，经镶嵌、磨抛和化学试剂浸蚀后，置于光学显微镜下观察其显微组织。如图4所示：螺栓断口裂纹源区可见沿晶开裂形貌特征，裂纹源区的显微组织为回火马氏体，可见少量碳化物；螺杆心部的显微组织为回火马氏体，可见少量碳化物。

图4 螺栓断口裂纹源区及螺杆心部的显微组织

2 分析与讨论

通过以上理化检验结果可知，螺栓的化学成分满足客户提供的技术要求，螺栓硬度超过客户提供的技术要求。螺栓断口裂纹源区的显微组织为回火马氏体，螺杆心部的显微组织为回火马氏体。

断裂发生于螺栓头部圆角处，断口大部分区域较为平整、洁净，断面与轴向大致垂直，未见明显塑性变形区域，局部区域颜色较深。由扫描电镜分析结果可知：裂纹源区可见沿晶开裂+二次裂纹+韧窝的形貌特征，局部可见鸡爪纹；其他区域呈韧窝形貌特征。由能谱仪分析结果可知，裂纹源区存在锌和磷元素，这是在磷酸锌表面处理过程中渗入的，裂纹源区存在初始裂纹。

该螺栓用于天然气发动机中，天然气的主要成分为烷烃，其中甲烷占绝大部分，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，以及硫化氢、二氧化碳、氮、水气和少量一氧化碳及微量的稀有气体等。该螺栓为12.9级螺栓，硬度较高，脆性较大，显微组织为回火马氏体，对氢元素较为敏感。螺栓在较长时间的应力作用下，其头部圆角处产生应力集中，且该处存在初始裂纹，螺栓、水汽和天然气中微量的氢均向螺栓初始裂纹附近扩散、聚集，当氢含量达到临界值时，裂纹扩展，最后导致螺栓发生断裂，故判断该螺栓断裂性质为氢脆断裂。

3 结论及建议

(1)该螺栓断裂性质为氢脆断裂。螺栓在较长时间的应力作用下，其头部圆角处产生应力集中，且该处存在初始裂纹，螺栓、水汽和天然气中微量的氢元素均向螺栓初始裂纹附近扩散、聚集，当氢含量达到临界值时，裂纹扩展，最后导致螺栓发生断裂。

(2)通过降低材料中氢元素的含量、采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀层以及镀前去应力和镀后去氢，可避免材料发生氢脆断裂。