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。

 

      来自上海材料研究所的陆慧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。

 

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，根据结果可知其化学成分符合图纸的技术要求。

 

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1所示，可知其力学性能符合图纸的技术要求。

 

表1 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。

 

 

     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。

 

 

     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。

 

 

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。

 

 

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，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。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。

 

来源：理化检验物理分册

关键词： 连杆螺栓 断裂失效