李俊濤，程利利

（河南柴油機重工有限責任公司，河南 洛陽 471003）

某柴油機運行30 085 h，發(fā)生主軸承蓋螺柱斷裂故障，螺柱材料為40CrNiMo 鋼，表面鋅磷化處理，裂紋位于桿部。

1 檢驗

1.1 宏觀分析

宏觀觀察，斷口垂直于縱軸線，呈黑灰色，無明顯塑性變形現(xiàn)象，裂紋源位于螺柱的表面，裂紋擴展的起始區(qū)域是一個平坦的扇形區(qū)域，之后呈放射狀擴展，相對較粗糙，最后是斜45°擴展的剪切唇區(qū)，斷口上有輕微摩擦損傷現(xiàn)象，裂紋源處螺柱外圓表面及對側呈光亮的金屬色，有機械損傷痕跡，如圖1 和圖2 所示。

圖1 螺柱形貌

圖2 斷口形貌

1.2 化學成分

對螺柱進行化學成分分析，結果見表1，符合國家標準要求。氫含量檢測結果見表2，氫含量分布不均勻，斷口區(qū)域氫含量較高。

表1 化學成分檢測結果Wt%

表2 氫含量檢測結果Wt%

1.3 拉伸性能

對螺柱進行拉伸性能檢測，結果見表3，其強度符合技術要求，但超出技術要求較多。對螺柱進行硬度檢測，結果見表4，硬度超出金屬要求上限。

表3 螺柱拉伸性能檢測結果

表4 螺柱硬度檢測結果HRC

1.4 金相分析

根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》進行夾雜物評定，其結果見表5。

表5 夾雜物評定結果

螺柱的裂紋源形貌如圖3 所示，位于螺柱的直桿部位，有磕碰變形現(xiàn)象，裂紋源附近未發(fā)現(xiàn)大塊夾雜、疏松等材料缺陷。裂紋擴展前期凹凸不平，有二次裂紋，如圖4 所示，擴展后期相對平滑，未觀察到二次裂紋形貌，如圖5 所示。侵蝕后觀察裂紋源區(qū)和擴展區(qū)的金相組織為回火索氏體，與其他區(qū)域及心部組織相同，螺栓表面未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，金相組織正常，如圖6—圖8 所示。晶粒度9.5 級，晶粒細小，如圖9 和圖10 所示。

圖3 裂紋源形貌（放大400 倍）

圖4 裂紋擴展區(qū)（沿晶區(qū)）（放大400 倍）

圖5 裂紋擴展區(qū)（韌窩區(qū)）（放大100 倍）

圖6 螺柱表面裂紋（放大100 倍）

圖7 裂紋源組織（放大400 倍）

圖8 裂紋擴展區(qū)組織（放大100 倍）

圖9 心部金相組織（放大500 倍）

圖10 心部金相組織（放大400 倍）

1.5 斷口掃描電鏡觀察

螺柱的裂紋源區(qū)有碰撞內(nèi)凹現(xiàn)象，邊緣斷口上有摩擦損傷痕跡，裂紋源區(qū)呈沿晶特征，晶面較粗糙，如圖11 和圖12 所示。在宏觀上觀察較平坦的扇形區(qū)域內(nèi)呈沿晶特征，放大后觀察有雞爪紋特征，如圖13 和圖14 所示。擴展區(qū)中期為沿晶和韌窩的混合斷口特征，擴展后期為韌窩特征，剪切唇為細小的韌窩特征，如圖15 和圖16 所示。

圖11 裂紋源形貌

圖12 裂紋源區(qū)沿晶特征

圖13 擴展區(qū)沿晶特征

圖14 擴展區(qū)沿晶雞爪紋特征

圖15 擴展區(qū)韌窩特征

圖16 剪切唇韌窩特征

將拉伸試樣置于掃描電鏡下觀察，呈典型的杯錐狀拉伸斷口形貌，纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇區(qū)均為韌窩，呈韌性斷裂特征，如圖17 和圖18 所示。

圖17 拉伸試樣斷口低倍形貌

圖18 拉伸試樣斷口纖維區(qū)

2 分析

螺柱的化學成分符合國家標準GB/T 3077—2015《合金結構鋼》的要求，螺柱的夾雜物含量較少，金相組織正常，晶粒度細小，未發(fā)現(xiàn)材料冶金缺陷和明顯的加工缺陷。強度符合技術要求，但超出要求值較多，硬度超出技術要求上限。

螺柱的斷口垂直于縱向軸線，裂紋源位于螺柱直桿部位的表面，是一個平坦的扇形小區(qū)域，沿晶開裂，裂紋初期擴展區(qū)呈沿晶開裂特征，并有雞爪紋特征。裂紋源周圍未發(fā)現(xiàn)大塊夾雜、疏松等材料缺陷、未發(fā)現(xiàn)氧化脫碳現(xiàn)象，但裂紋源處螺栓表面有碰傷痕跡。裂紋擴展區(qū)中期為沿晶+韌窩的混合型斷口特征，之后為韌窩特征，韌性開裂區(qū)域約占整個斷口面積的2/3。從斷口的宏觀和微觀形貌分析螺柱呈氫脆開裂特征。

氫脆開裂主要是開裂部位材料中的氫含量超出臨界值所致，氫的來源主要有原材料冶煉過程中的氫，加工過程中如電鍍、酸洗磷化等工序中吸氫，從使用環(huán)境中（如海水環(huán)境）吸氫等。螺柱中的整體氫含量并不高，環(huán)境吸氫的可能性較小，應該是生產(chǎn)過程中的內(nèi)氫。

鋼的強度越高，氫脆敏感性就越大，發(fā)生氫脆所需的氫含量就越低。螺柱的強度較高，且高出標準要求較多，增加了螺柱的氫脆敏感性。從氫含量的檢測結果來看，離斷口較遠的區(qū)域氫含量較低，而離斷口較近的區(qū)域氫含量明顯比較遠的區(qū)域高很多，這種現(xiàn)象一方面說明螺柱中的氫含量不均勻，另一方面也表明了氫在螺柱基體中的擴散聚集現(xiàn)象，鋼中的氫通常情況下會往材料中的缺陷處、三向應力集中處，表面損傷等區(qū)域集中。螺柱在裝機以來漫長的時間里逐步聚集，造成材料中局部區(qū)域的氫含量超出氫脆門檻值，最終導致氫脆的發(fā)生。

綜上所述，螺柱的斷裂為氫脆斷裂，螺柱抗拉強度較高，氫脆敏感性較大是螺柱發(fā)生氫脆斷裂的主要原因。

3 結論

1）螺柱的斷裂為氫脆斷裂，螺柱強度較高，氫脆敏感性較大是螺柱發(fā)生氫脆斷裂的主要原因。

2）建議嚴格控制熱處理工藝，螺柱強度滿足技術要求的條件下，不要過度超高。