连杆螺栓断裂原因

陆 慧

(上海材料研究所, 上海 200437)

在对某柴油机出油点进行常规检查时，发现其缸内连杆螺栓出现断裂现象，断裂螺栓模型及其宏观形貌如图1所示。该类型螺栓的生产工艺路线主要为：原材料→锻造→粗加工→热处理→精加工→磁粉检测(100%检测)→磷化(包括酸洗及磷化工序)→入库。

笔者采用一系列理化检验方法对其断裂原因进行了分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂连杆螺栓断口的宏观形貌如图2所示，由图2可知：断口上可见月牙形的深暗色区域；紧邻深暗色区域末端可见台阶特征，为疲劳裂纹起始区域；瞬断区为图2所示的剪切唇区域。

图2 螺栓断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

在断裂的连杆螺栓上取样，对其进行化学成分分析，结果如表1所示，可知其化学成分符合图纸的技术要求。

表1 连杆螺栓的化学成分 %

1.3 力学性能测试

在连杆螺栓上取样，对其进行力学性能测试，结果如表2所示，可知其力学性能符合图纸的技术要求。

表2 连杆螺栓的力学性能测试结果

1.4 扫描电镜(SEM)及能谱分析

将断口置于扫描电子显微镜下观察，图3为断口深暗色区域与疲劳区域交界处的SEM形貌，疲劳裂纹起源于图3中深暗色区域末端，具有多源台阶特征，扩展区可见贝纹线，符合疲劳断裂的微观形貌特征。断口深暗色区域SEM形貌如图4所示，可见较为致密的覆盖物，无法观察开裂面的原始形貌。采用能谱仪对断口的深暗色区域进行能谱分析，结果如图5所示，由图5可知：断口上覆盖层的P，Zn元素以及腐蚀性元素O，Cl的含量较高。断口表面磷化处理涂层能谱分析位置及其能谱图如图6所示，可知与图5中的分析结果接近。

图3 断口深暗色区域与疲劳区域交界处的SEM形貌

图4 断口深暗色区域SEM形貌

图5 断口深暗色区域能谱分析位置及其能谱图

图6 断口表面磷化处理涂层能谱分析位置及其能谱图

裂纹扩展区SEM形貌如图7所示，可见大致平行的疲劳辉纹；瞬断区剪切唇SEM形貌如图8所示，可见其呈韧窝特征。

图7 裂纹扩展区SEM形貌

图8 瞬断区剪切唇SEM形貌

垂直于断口剖面截取试样，经镶嵌、磨抛后将其置于SEM下观察，并对其进行能谱分析，结果如图9～11所示。由图9～10可知：深暗色区域断口表面覆盖物有3层，最表层黑色物质为渗入的磷化涂层，中间层为氧化物层，最接近基体的为腐蚀作用层，其氯离子质量分数最高，说明裂纹形成于表面磷化以及酸洗工艺之前，属于陈旧性裂纹，酸洗后的腐蚀性介质渗入裂纹内部，裂纹产生了氧化腐蚀，由于氯离子的穿透能力强，故容易穿透氧化膜内极小的孔隙到达金属表面。

图9 表层黑色物质能谱分析位置及其能谱图

图10 中间层物质能谱分析位置及其能谱图

图11 接近基体的里层能谱分析位置及其能谱图

1.5 金相检验

截取垂直于断口的剖面试样，经镶嵌、磨抛后将其置于光学显微镜下观察，断口剖面抛光态微观形貌如图12所示。图13a)为断口深暗色区域(陈旧性裂纹)剖面显微组织形貌，其表面可见覆盖层；图13b)为疲劳扩展区剖面显微组织形貌，其表面无覆盖层。按GB/T 10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》中实际检验A法评定其夹杂物等级为：A0.5，B0，C0，D0.5，D0.5e。试样经化学试剂侵蚀后，将其置于光学显微镜下观察，发现断口处显微组织均匀，未发现偏析、脱碳、过烧等显微组织缺陷，显微组织为回火索氏体，为调质热处理的正常显微组织。

图12 断口剖面抛光态微观形貌

图13 断口处显微组织形貌

2 综合分析

连杆螺栓的化学成分、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及冲击吸收能量均符合技术要求，连杆螺栓显微组织为回火索氏体，为调质处理的正常显微组织。

由断口的宏观形貌和SEM形貌可知，断裂部位为图1所示过渡处，断裂性质为疲劳断裂，疲劳裂纹起源于深暗色区域(陈旧性裂纹)末端，可见多处台阶形貌，为多源特征[1]，裂纹作为应力集中点，在高强度的服役过程中成为裂纹源并不断疲劳扩展，进而导致螺栓发生疲劳断裂[2]。由裂纹区域的断口及断口剖面的能谱分析结果可知：裂纹区覆盖层有较高含量的 P和Zn元素，这些元素与螺栓表面镀层成分匹配，说明裂纹在螺栓进行表面磷化处理前就已经存在了；同时覆盖层中还检出了腐蚀性元素 O和Cl，这是因为磷化处理前、酸洗时残留酸液渗入裂纹内部，从而发生了氧化腐蚀。

3 结论

(1) 连杆螺栓材料符合图纸技术要求。

(2) 连杆螺栓断裂性质为疲劳断裂，疲劳裂纹起源于深暗色(陈旧性裂纹)区域的末端，在服役过程中，陈旧性裂纹末端是应力集中的疲劳裂纹源，引发了疲劳断裂。

(3) 断口上的陈旧性裂纹形成于酸洗之前。