馮 翔

（中船重工龍江廣瀚燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

金屬構(gòu)件在海洋環(huán)境下，容易從構(gòu)件表面發(fā)生多種類型的局部腐蝕，腐蝕速度一般比均勻腐蝕迅速很多，且腐蝕面積往往局限在微小區(qū)域中，可分為點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、磨損腐蝕、電偶腐蝕等等，不易預(yù)防，不易發(fā)現(xiàn)。而應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞是眾多腐蝕機(jī)理中，危害巨大且失效案件占比率高的兩種腐蝕模式，成為海洋環(huán)境下金屬構(gòu)件使用的重大課題。

船用燃機(jī)的制造選材和運(yùn)行維護(hù)都需面臨海洋腐蝕的重大考驗(yàn)，除制造零件時考慮材質(zhì)耐腐蝕性，還會在金屬構(gòu)件表面選用鍍層、滲層、涂層等工藝進(jìn)行表面抗腐蝕強(qiáng)化。燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)匣一般采用螺栓連接，它的可靠性關(guān)系到整個機(jī)匣，甚至影響發(fā)動機(jī)的安全。本文通過對兩個斷裂螺栓斷口觀察、金相檢查、掃描電鏡微觀分析、能譜檢測等手段，確定了機(jī)匣連接螺栓斷裂原因。

1 材料檢測與斷口分析

1.1 斷口宏觀觀察

斷裂螺栓宏觀形貌如圖1，分別編號為1#、2#。1#螺栓樣品斷口位于螺桿的第三螺紋處，宏觀斷口形貌如圖2所示，斷口表面顏色較暗，局部區(qū)域氧化顏色較深。斷口2/3區(qū)域較為平坦，可見清晰的貝紋弧線（如圖中箭頭），根據(jù)弧線擴(kuò)展方向，可判斷裂紋源位于螺桿邊緣，如圖2中A區(qū)域所示。對A區(qū)域局部放大形貌如圖3，裂紋源處為明顯的凹坑損傷，損傷表面有白色附著物。圖2中B區(qū)域產(chǎn)生明顯臺階，應(yīng)為過載造成的瞬時斷裂形貌。

圖1 送檢螺栓宏觀形貌

圖2 1#螺栓斷口宏觀形貌

2#螺栓樣品斷口位于螺桿的第一螺紋處，宏觀斷口形貌如圖3所示，斷口整體較平坦，表面顏色為深褐色。在斷口一側(cè)存在類似剪切唇的凸起部分，如圖3中A區(qū)域，判斷該凸起部分為最終斷裂處。

圖3 1#螺栓斷口宏觀形貌

圖4 2#螺栓斷口宏觀形貌

1.2 斷口微觀觀察

將1#螺栓的斷口放入掃描電鏡中進(jìn)行微觀觀察，斷口整體形貌如圖5所示，裂紋源區(qū)放大形貌如圖8，應(yīng)用X射線能譜對源區(qū)位置附著物進(jìn)行成分檢測（見表1），從結(jié)果可以看出，源區(qū)處產(chǎn)物的Cl、S、Na、O等元素含量均處于較高水平。擴(kuò)展區(qū)形貌如圖6，可見疲勞擴(kuò)展條帶。瞬斷區(qū)形貌如圖7，為瞬時斷裂韌窩形貌。

圖5 1#螺栓 斷口微觀形貌

圖6 1#螺栓 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

圖7 1#螺栓 瞬斷區(qū)微觀形貌

圖8 1#螺栓 裂紋源微觀形貌

表1 裂紋源 附著產(chǎn)物能譜檢測

將2#螺栓的斷口放入掃描電鏡中進(jìn)行微觀觀察，斷口整體形貌如圖9所示，可見明顯的貝紋狀疲勞弧線，根據(jù)弧線擴(kuò)展方向（如圖9中箭頭所示），可判斷裂紋源位于螺桿一側(cè)邊緣，疲勞擴(kuò)展區(qū)域可見疲勞條帶（如圖10），圖9中A區(qū)域微觀形貌為韌窩（如圖12），應(yīng)為瞬時斷裂，與宏觀判斷一致。對裂紋源B區(qū)放大，形貌如圖11，呈龜裂狀沿晶開裂，表面附著物能譜檢測成分見表2，其中Cl、S、O等元素含量較高。

表2 源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)能譜檢測成分

圖9 2#螺栓 斷口微觀形貌

圖10 2#螺栓 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

圖11 2#螺栓 裂紋源微觀形貌

圖12 2#螺栓 瞬斷區(qū)微觀形貌

1.3 螺栓縱剖面金相觀察

將1#斷裂螺栓的螺帽部分縱向剖開，制成金相樣品，觀察縱剖面，在截面處發(fā)現(xiàn)多處凹坑損傷，以及典型的徑向擴(kuò)展的樹根狀分叉裂紋，該裂紋整體形貌。

將2#斷裂螺栓的螺桿部分縱向剖開，觀察縱剖面，同1#斷裂螺栓相同，發(fā)現(xiàn)多處凹坑損傷，且在凹坑內(nèi)部有大量的附著物。對附著物進(jìn)行能譜檢測，檢測結(jié)果見表3，附著物含有較高的S、Cl等元素。

表3 凹坑內(nèi)附著物 能譜檢測成分

2 分析與討論

兩個斷裂螺栓雖斷裂位置有不同，但通過對螺栓斷口的宏觀、微觀和縱剖面金相觀察，以及對材料和腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)螺栓基體材質(zhì)相同，斷口基本形貌相近，斷裂基制也基本相同，附著產(chǎn)物的化學(xué)成分相近，總結(jié)斷裂螺栓存在的共同之處主要有以下幾點(diǎn)：

（1）斷裂螺栓的裂紋源均在螺桿一側(cè)外表面，裂紋源處均有腐蝕凹坑損傷，源處及周圍存在較多腐蝕產(chǎn)物，多呈龜裂狀沿晶斷裂特征；瞬斷區(qū)為韌窩形貌，且占斷口的面積較小。

（2）螺栓斷口平坦，可見明顯貝紋狀疲勞弧線，且擴(kuò)展區(qū)可見疲勞條帶。

（3）送檢螺栓基體材質(zhì)相同，斷口上腐蝕產(chǎn)物成分中Cl、S、O等元素偏高。

（4）斷裂螺栓的縱剖面金相檢查，在裂紋源區(qū)以及其他位置均發(fā)現(xiàn)多處呈點(diǎn)域狀的腐蝕損傷，以及多條徑向擴(kuò)展的樹根狀分叉裂紋，這分別是點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕的明顯特征。

（5）能譜檢測其基體化學(xué)成分見表4。

表4 斷裂螺栓基體 能譜檢測成分

當(dāng)金屬構(gòu)件所處環(huán)境同時存在氯離子和氧化劑，比較容易產(chǎn)生電化學(xué)侵蝕，形成點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕坑剖面形狀一般為楔形、橢圓形、盤碟形、皮下囊性等。此外金屬構(gòu)件在靜應(yīng)力和特定的腐蝕性環(huán)境作用下，出現(xiàn)低于材料強(qiáng)度極限的脆性開裂現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕開裂。應(yīng)力腐蝕裂紋一般較深、較窄，剖面金相通常呈樹根或樹枝狀裂紋。

因斷裂螺栓所處工作環(huán)境為海水介質(zhì)，介質(zhì)中含有比較多的Cl-和SO42-，導(dǎo)致螺栓表面發(fā)生點(diǎn)腐蝕和應(yīng)力腐蝕損傷。表面的腐蝕損傷在交變應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下，形成疲勞擴(kuò)展，最終斷裂。

3 結(jié)語

送檢螺栓失效機(jī)制為由點(diǎn)腐蝕和應(yīng)力腐蝕造成的腐蝕損傷引起的腐蝕疲勞斷裂。建議對該批次機(jī)匣螺栓全部更換，并縮短檢查和更換周期，確保燃機(jī)正常運(yùn)行。進(jìn)一步分析螺栓材料和制造工藝，通過改變材質(zhì)和表面工藝處理，提高螺栓抗腐蝕性，通過改變螺栓設(shè)計減小螺栓工作應(yīng)力，降低發(fā)生腐蝕失效可能性。