螺栓與連桿斷裂失效分析測(cè)試

連桿與連桿螺栓采用40Cr鋼制作，連桿螺栓等級(jí)為12.9級(jí)；連桿服役已有五年，大修更換活塞、曲軸與連桿螺栓，未更換連桿，大修后服役約4個(gè)月發(fā)生連桿與連桿螺栓斷裂。

斷裂連桿及螺栓宏觀形貌檢查，可見下端連桿蓋完好，上端連桿蓋和桿身斷裂，同時(shí)上端連桿蓋內(nèi)表面有明顯磨損痕跡。連桿斷裂位置有兩處且相鄰，一處位于上端連桿蓋右側(cè)，如圖11-164箭頭所指處，記為1#斷面；另一處位于桿身與上連桿蓋連接部位，如圖11-164中箭頭指處，記為2#斷面。兩側(cè)緊固螺栓全部斷裂，其中右側(cè)螺栓斷裂位置有兩處，一處位于頭桿結(jié)合處，如圖11-165所示；另一處為位于螺紋部位，斷裂殘件位于螺紋孔內(nèi)，如箭頭所示。

（1）對(duì)故障連桿的檢查與結(jié)果

故障連桿的1#斷面和2#斷面的正面宏觀形貌，為圖11-166所示，為了便于描述裂紋擴(kuò)展過程，將兩個(gè)斷面分為A、B、B1、C、D、E六個(gè)區(qū)域（其中B區(qū)和B1區(qū)是兩個(gè)吻合的斷面），并將裂紋擴(kuò)展過程用箭頭表示，如圖所示。通過觀察1#斷面宏觀形貌，可見A區(qū)存在明顯的疲勞條帶，呈疲勞斷口特征，從疲勞條帶的分布可知疲勞源位于斷面右側(cè)邊緣位置。

圖11-164 送檢斷裂樣品宏觀形貌        圖11-165  送檢斷裂樣品宏觀形貌

圖11-166   連桿兩個(gè)斷面正面形貌

圖11-167為B區(qū)微觀形貌，可見明顯放射條紋，B、B1區(qū)為同一斷裂處兩個(gè)面。

圖11-168為C區(qū)低倍形貌，疲勞弧線明顯，B區(qū)裂紋擴(kuò)展終止部位為C區(qū)疲勞擴(kuò)展源區(qū)。

圖11-167  B區(qū)微觀形貌                圖11-168  C區(qū)電鏡低倍形貌

圖11-169 為D區(qū)低倍形貌，可見明顯的疲勞弧線，該區(qū)疲勞源位于螺紋孔底部。圖11-170所示為E區(qū)微觀形貌，可見磨損擠壓痕跡。

圖11-169   D區(qū)電鏡低倍形貌              圖11-170  E區(qū)電鏡形貌

初始疲勞源產(chǎn)生后，裂紋在交變應(yīng)力作用下經(jīng)A區(qū)疲勞擴(kuò)展，而后在沖擊應(yīng)力作用下基體撕裂形成，裂紋，裂紋B區(qū)，快速擴(kuò)展區(qū)。B區(qū)裂紋擴(kuò)展終止部位成為新的疲勞源，在交變應(yīng)力作用下經(jīng)C區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展。同時(shí)螺紋孔底部產(chǎn)生疲勞源，經(jīng)D區(qū)疲勞擴(kuò)展，疲勞裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致連桿受力面積不斷減小，最終因無法承受應(yīng)力作用而在E區(qū)最終斷裂。

對(duì)連桿金相分析，連桿斷面附近心部的金相組織，可見基體為細(xì)回火索氏體組織，表明連桿為調(diào)質(zhì)處理，組織正常，見圖11-171所示。

圖11-171  連桿斷面附近心部金相組織

將連桿斷面附近心部區(qū)域制樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)心部硬度：272、274、272 HV10，硬度值滿足技術(shù)要求。

采用直讀光譜法對(duì)連桿進(jìn)行化學(xué)成分分析，測(cè)試結(jié)果對(duì)照《GB/T 3077-1999》，其化學(xué)成分與40Cr鋼相符合。

（2）對(duì)螺栓斷口的檢查與結(jié)果

對(duì)斷裂螺栓斷口檢查，斷口齊平、光亮，斷口宏觀形貌見圖11-172、圖11-173。斷口上方邊緣較為平整，標(biāo)斷面其余部分較為粗糙。

圖11-172   螺栓斷口宏觀形貌        圖11-173   螺栓斷口宏觀形貌  

                                         圖11-174所示為斷口等軸韌窩微觀形貌。

                                         圖11-175所示為斷口剪切韌窩微觀形貌。

                                      圖11-176所示為斷口疲勞條帶微觀形貌

螺栓斷口可見明顯的疲勞條帶，韌窩和剪切韌窩微觀形貌。在疲勞裂紋開始擴(kuò)展后不久，螺栓受到大應(yīng)力作用，大應(yīng)力作用超過強(qiáng)度極限而發(fā)生斷裂。

圖11-174螺栓斷口等軸韌窩微觀形貌       圖11-175 斷口剪切韌窩微觀形貌

                  圖11-176  螺栓斷口疲勞條帶微觀形貌

圖11-177所示為該斷口宏觀形貌，可見斷口整體較為平整，該斷口最接近連桿斷裂位置，斷口上方磨損嚴(yán)重，中間可見明顯的疲勞條帶，如圖中箭頭所示。圖11-178所示為斷口微觀形貌，可見疲勞條帶。

圖11-177 螺栓斷口宏觀形貌              圖11-178  斷口微觀形貌

取螺栓斷口附近進(jìn)行金相檢查，為斷裂螺栓的金相組織，為回火索氏體+少量鐵素體，如圖11-179所示。

螺紋檢查，在螺紋中徑處發(fā)現(xiàn)有裂紋，裂紋周圍無脫碳，裂紋呈鋸齒狀形態(tài)，尾端尖細(xì)，應(yīng)為疲勞擴(kuò)展裂紋，裂紋形貌如圖11-180所示。

在斷裂螺栓螺紋部位縱向剖面上螺紋部位無折疊、裂紋、滲碳、脫碳等顯微缺陷。

圖11-179  斷裂螺栓金相組織            圖11-180 螺紋中徑處裂紋形貌

斷裂螺栓的非金屬夾雜物檢查，根據(jù)《GB-T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》滿足技術(shù) 。

對(duì)未服役的完好螺栓進(jìn)行性能檢測(cè)：抗拉強(qiáng)度1354 MPa；心部硬度HRC 42～41.5；螺栓抗拉強(qiáng)度、硬度達(dá)到《GB/T 3098.1-2010緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12.9級(jí)螺栓要求。                        

連桿與螺栓的化學(xué)成分、金相組織、表面缺陷、性能等均無明顯異常，因此，并非因零件本身材質(zhì)問題導(dǎo)致斷裂。連桿兩個(gè)斷面均可見明顯的疲勞條紋，靠近連桿斷裂位置的螺栓斷口也呈疲勞斷口斷裂特征，遠(yuǎn)離連桿斷裂位置的螺栓斷口為大應(yīng)力作用下瞬間斷裂。由于連桿初始疲勞源部分缺失，未能確定初始疲勞產(chǎn)生的部位，但是結(jié)合螺栓斷裂情況，推斷斷裂的原因可能是大修時(shí)安裝螺栓的預(yù)緊力不符合技術(shù)要求。若安裝預(yù)緊力過小，會(huì)造成連桿套與曲軸配合不夠緊密而使整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)生較大沖擊；若安裝預(yù)緊力過大，超出強(qiáng)度極限，引起顯微裂紋萌生，也會(huì)成為疲勞源。

連桿斷口的大面積疲勞擴(kuò)展區(qū)及連桿套內(nèi)表面的磨損痕跡表明，整個(gè)機(jī)構(gòu)在最終破壞前已經(jīng)存在配合不良現(xiàn)象，同時(shí)配合不良又加劇了機(jī)構(gòu)的振動(dòng)與沖擊，而振動(dòng)和沖擊又是形成疲勞源和疲勞裂紋擴(kuò)展的因素。從分析結(jié)果可知，疲勞裂紋不僅存在于螺栓上，同時(shí)也存在于連桿上。疲勞源形成后，螺栓與連桿上的裂紋在交變應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展，直至最終斷裂。

   從該連桿機(jī)構(gòu)的服役歷程可知，連桿已正常服役5年，說明連桿本身無質(zhì)量問題，對(duì)連桿螺栓的檢測(cè)結(jié)果也表明螺栓各項(xiàng)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。整個(gè)機(jī)構(gòu)的失效恰巧發(fā)生在大修之后，其斷裂特征又是疲勞斷裂，由此可推斷，造成機(jī)構(gòu)失效的根本原因是發(fā)動(dòng)機(jī)在大修時(shí)裝配不良造成。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）連桿與螺栓的斷裂性質(zhì)是疲勞斷裂。

（2）引起疲勞斷裂的根本原因是裝配不良。

（3）控制安裝預(yù)緊力，防止安裝預(yù)緊力過小或過大。