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某船用柴油機緊固螺母縱向開裂失效分析

某柴油機上的緊固螺母在工作27h后出現批量性早期開裂現象，均為縱向裂紋，給生產廠家和用戶造成了嚴重的經濟損失。緊固螺母的失效將導致噴油嘴松脫和錯位，甚至會影響柴油機的正常工作。緊固螺母的開裂有其自身的原因也有使用方面的因素。為找出緊固螺母出現開裂的原因，本文對開裂緊固螺母的斷口形貌、金相組織、化學成分、硬度進行檢測和綜合分析。該緊固螺母的材質為40Cr，技術要求：調質處理，硬度31~35HRC。螺紋處加工方式為車削加工。

1. 檢測方法

對開裂緊固螺母的宏觀形貌進行檢測記錄。利用掃描電子顯微鏡（Quanta 200型環境掃描電鏡）和金相顯微鏡（LECIA DM6000M）分別檢測樣品的開裂斷口微觀形貌和金相組織，然后取樣用直讀光譜儀（PDA-5500）測量其化學成分。洛氏硬度的測試在60CE型數顯洛氏硬度計上進行，所施加的載荷為150kg（1kg=9.8N），加載時間為10s。維氏硬度值的測試在LM247 AT型顯微維氏硬度檢測儀上進行，所施加的載荷為300g，加載時間為10s。

2. 檢驗結果與分析

（1）斷口宏觀觀察

圖1為樣品宏觀圖片，圖2為斷口宏觀形貌。試樣沿縱向表面出現貫穿性裂紋。將裂紋打開后超聲清洗干凈斷口。觀察發現，裂紋起始于第四顆齒的齒頂側面處，斷口新鮮、粗糙，有金屬光澤，無腐蝕痕跡。

圖1 樣品宏觀圖片

圖2 斷口宏觀形貌

（2）斷口微觀觀察

裂紋源處斷口形貌如圖3～圖6所示。裂紋起始于內表面第四顆齒靠近齒頂側面。裂紋呈放射狀向外表面擴展，基體組織呈現扭轉狀態，裂紋源處表面氧化，看不清真實形貌特征。

圖3 斷口形貌（10×）

圖4 裂紋源處斷口形貌（40×）

圖5 裂紋源處斷口形貌（1300×）

圖6 裂紋源處斷口形貌（1500×）

裂紋源附近斷口形貌如圖7所示。裂紋源附近及裂紋擴展區主要為準解理形貌，為典型疲勞斷裂形貌特征，疲勞擴展區較小，約占整個斷口面積的10%，說明樣品受力較大。

圖7 裂紋源附近斷口形貌（2500×）

快速斷裂區斷口形貌如圖8所示。快速斷裂區主要為撕裂韌窩的韌性斷裂，斷裂紋路沿縱向。對裂紋源處內表面形貌進行分析，與相鄰對應位置對比發現裂紋源處基體組織存在異常凸起，凸起組織與基體連續性不好。

圖8 快速斷裂區斷口形貌（2000×）

裂紋源處內表面形貌如圖9～圖11所示，正常位置內表面形貌如圖12所示。

圖9 裂紋源處內表面形貌（100×）

圖10 裂紋源處內表面形貌（250×）

圖11 裂紋源處內表面形貌（500×）

圖12 正常位置內表面形貌（100×）

（3）非金屬夾雜物評定

對緊固螺母進行非金屬夾雜物檢測。硫化物類級別：0.5級（細系），氧化鋁類級別：0.5級（細系），硅酸鹽類級別：0.5級（細系），球狀氧化物類級別：0.5級（細系），單顆粒非金屬夾雜物級別：1級。

（4）金相組織

在裂紋源處取樣進行金相組織分析。在裂紋源處存在微裂紋，裂紋兩側無脫碳現象，與形貌分析存在的基體組織異常凸起吻合。所選用的腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液。裂紋源處金相組織：回火索氏體+少量鐵素體，組織級別：2級，如圖13～圖15所示。

圖13 裂紋源處形態（100×）

圖14 裂紋源處金相組織（200×）

圖15 裂紋源處金相組織（500×）

心部組織與裂紋源處組織一致，如圖16所示。帶狀組織如圖17所示，推測原材料帶狀組織為3級。

圖16 心部金相組織（500×）

圖17 帶狀組織（100×）

螺紋牙頂金相組織為回火索氏體+少量鐵素體，與基體組織一致，如圖18、圖19所示。

圖18 螺紋牙頂處金相組織（200×）

圖19 螺紋牙頂處金相組（500×）

根據技術要求、圖樣以及相關標準的要求，該緊固螺母的金相組織合格。螺紋牙頂有明顯的異常凸起及毛刺，牙底加工正常，如圖20所示。

圖20 螺紋牙頂處異常凸起（50×）

（5）化學成分分析

對緊固螺母進行化學成分分析，結果如表1所示。可見該緊固螺母的化學成分符合40Cr鋼標準成分要求。

（6）硬度檢測

檢測了樣品心部洛氏硬度，第一點41HRC，第二點41HRC，第三點42HRC。螺紋處維氏硬度分布曲線如圖21所示。由圖21可知，在距離螺紋表面0.05~0.65mm處硬度在390HV0.3（41HRC）左右，硬度變化不大。結合螺紋處金相組織和硬度檢測，螺紋處無脫碳現象。從該緊固螺母的技術要求來看，心部和螺紋處硬度偏高。