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共享：船用发动机活塞用40CrNiMoA钢螺栓断裂原因开云kaiyun

2025-12-22 10:42·国检检测

40CrNiMoA钢为高强度钢，平淡用于制造各式高载荷紧固件、传动齿轮、轴类等零部件。其失效原因主要包括氢脆[1]、磨削裂纹[2]、焊合裂纹[3]、过载[4]、原材料羼杂断裂[5-6]等。某船用发动机活塞紧固螺栓强度级别为8.8级，规格（螺纹直径×长度）为M27 mm×260 mm，材料为40CrNiMoA钢。该螺栓在握戟约5 000 h后发生断裂，螺栓头已遗失，无法进行分析。选定与断裂螺栓（1号螺栓）同批次出产、装配在归并活塞上把握位置的2号螺栓（见图1），笔者对断裂螺栓和2号螺栓进行一系列理化查验分析，以幸免该类问题再次发生。

图 1 断裂螺栓和2号螺栓的宏不雅形容

1. 理化查验

1.1 宏不雅不雅察

对螺栓断口进行宏不雅不雅察，效果如图2所示。由图2可知：螺栓断裂于螺栓头部与杆部的过渡R角处，断口简略与轴向垂直，举座上较为平整；右侧区域为断裂源区，神采发黑；左侧为终末断裂区，断裂源区侧面呈玄色；除断裂源区外，螺栓名义均为光亮景色。

图 2 螺栓断口宏不雅形容

1.2 化学因素分析

接受红外碳硫仪和直读光谱仪对断裂螺栓进行化学因素分析，效果如表1所示。由表1可知：断裂螺栓的化学因素相宜GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对40CrNiMoA钢的圭臬条目。

Table 1. 断裂螺栓的化学因素分析效果

1.3 力学性能测试

从1号和2号螺栓上别离截取试样，对试样进行拉伸履行、冲击履行、布氏硬度履行，效果如表2所示。由表2可知：螺栓的拉伸性能和冲击性能相宜EN ISO 898-1 2013 《碳钢和合金钢紧固件机械性能 第1部分：性能品级规则的螺栓、螺钉和螺柱 粗螺纹和细齿螺纹》的条目，布氏硬度相宜图纸本领条目。

Table 2. 1号和2号螺栓的力学性能测试效果

1.4 扫描电镜（SEM）及能谱分析

将螺栓断口清洗后置于扫描电镜下不雅察，效果如图3所示。由图3可知：断裂源区可见腐蚀坑，断口玄色区域处存在龟裂状遮盖异物；延迟区可见较多简略平行的二次裂纹，呈典型疲倦断裂特征；瞬断区可见韧窝。断裂源区侧面SEM形容如图4所示，可见断裂源区存在彰着腐蚀坑，其隔壁可见较小的点状腐蚀坑。

图 3 螺栓断口SEM形容

图 4 断裂源区侧面SEM形容

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对断口遮盖异物和侧面腐蚀坑进行能谱分析，分析位置别离如图3（a），4（a）所示，发现异物中含有较高含量的腐蚀性S元素，侧面腐蚀坑也存在腐蚀性S元素（见图5）。

图 5 断口遮盖异物和侧面腐蚀坑能谱分析效果

1.5 金相查验

在螺栓断裂源区截取金相试样，对试样进行金相查验，效果如图6所示。由图6可知：断裂源区位于螺纹根部，隔壁名义未见至极；基体和断裂源区的组织均为回火索氏体。

图 6 断裂螺栓的微不雅形容

2. 概括分析

由上述理化查验效果可知，断裂螺栓的化学因素、拉伸性能、冲击性能、布氏硬度等均相宜相干圭臬条目，材料的显微组织为回火索氏体，为正常热惩办组织，证实该螺栓的出产工艺无至极。螺栓断口延迟区可见较多简略平行的二次裂纹，为疲倦断裂典型特征；瞬断区呈韧窝特征。断口未见氢脆的沿晶特征和晶间裂纹，不错摈斥氢脆的可能。断裂源区和侧面存在彰着腐蚀坑，除腐蚀坑外其余区域均为光亮景色，呈典型的点腐蚀特征。该螺栓为船用发动机活塞紧固螺栓，用于紧固封头与活塞裙，在发动机使命时，活塞进行快速高频的来去通顺，螺栓受到周而复始的载荷，为疲倦断裂提供了交变应力。螺栓名义腐蚀坑位于螺栓头部与杆部的过渡R角处，该处存在应力鸠合，且点腐蚀坑进一步加重了应力鸠合进程，导致该处萌发了疲倦微裂纹。该螺栓与活塞缜密鸠合，螺栓过渡R角处为密封景色，且多根固定螺栓中唯惟一根存在腐蚀情况，因此判断腐蚀介质起头于使命环境外。该发动机也曾过屡次周期西席，前几次并未发现螺栓存在至极情况，证实该螺栓在最近一次拆装西席历程中战斗腐蚀介质。为疑望同类情况发生，冒昧西席历程进行进一步活动操作。

3. 论断

螺栓在拆装西席时辰战斗了腐蚀介质，使螺栓头部与杆部的过渡R角出现点腐蚀坑，加重了该位置的应力鸠合进程，在活塞周而复始通安产生的交变应力作用下，该处萌发了微裂纹，裂纹疲倦延迟，最终导致螺栓发生断裂。

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