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閱讀：5發(fā)布時(shí)間：2024-8-14
國(guó)內(nèi)某款1.5T汽油發(fā)動(dòng)機(jī)多次發(fā)生增壓進(jìn)油管與增壓器聯(lián)接螺栓斷裂事故。發(fā)動(dòng)機(jī)所用螺栓規(guī)格為M10×1.0，技術(shù)要求：材質(zhì)40Cr，調(diào)質(zhì)處理后硬度32HRC，表面鍍彩鋅，如圖1所示。試驗(yàn)過程中內(nèi)部油溫在120～150℃內(nèi)波動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3500r/min時(shí)，螺栓通過增加器熱傳導(dǎo)承受溫度可達(dá)到275℃，螺栓擰緊力矩為42N·m。本批共裝配500臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，陸續(xù)出現(xiàn)了4起斷裂事故，其中3起出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)試機(jī)過程中，1起出現(xiàn)在整車銷售后行駛僅200km時(shí)。
圖1 螺栓斷裂位置
1.斷口分析
取失效的螺栓進(jìn)行分析，宏觀看其斷裂位置均發(fā)生在螺栓法蘭根部，斷口平齊，斷口周邊無機(jī)械損傷和塑性變形，如圖2所示。使用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行檢查，內(nèi)部觀察到較多的缺陷點(diǎn)、沿晶斷裂及“雞爪紋"的特征，如圖3、圖4所示。該螺栓為鍍鋅產(chǎn)品，制造過程中無去氫工藝流程，結(jié)合斷口特征斷定為氫脆斷裂。
圖2 斷口宏觀形貌
圖3 2000×電鏡成像形貌
圖4 20000×倍電鏡成像形貌
2.失效螺栓的檢查
（1）材料化學(xué)成分檢測(cè)
使用光譜儀檢測(cè)失效螺栓的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示，化學(xué)成分合格。
表1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
元素 | C | Si | Cr | Mn | S | P |
要求值 | 0.37～0.44 | 0.17～0.37 | 0.8～1.1 | 0.5～0.8 | ≤0.03 | ≤0.03 |
檢測(cè)值 | 0.43 | 0.28 | 0.96 | 0.55 | 0.006 | 0.003 |
（2）硬度檢查
使用洛氏硬度計(jì)檢測(cè)失效螺栓，并在同批次螺栓中隨意抽查5件進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。
表2 硬度檢測(cè)結(jié)果
項(xiàng)目 | 斷裂螺栓 | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# |
要求值 | ≥32HRC（1015MPa） | |||||
檢測(cè)值HRC | 42 | 38.5 | 41 | 39.5 | 43 | 38.5 |
對(duì)應(yīng)抗拉 強(qiáng)度/MPa | 1322 | 1199 | 1294 | 1232 | 1361 | 1199 |
通過檢測(cè)結(jié)果分析，螺栓的硬度比要求值偏高許多；經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)此聯(lián)接螺栓之前存在密封漏油問題，采用的解決方案之一是將螺栓擰緊力矩由25N·m提高到42N·m，更改過程中出現(xiàn)過螺栓自螺紋處斷裂事件，將螺栓的強(qiáng)度等級(jí)由8.8級(jí)提升到10.9級(jí)，規(guī)定硬度值≥32HRC，供應(yīng)商實(shí)際處理的硬度38～43HRC，在提升硬度的同時(shí)未施加去氫工藝，最終導(dǎo)致了批量事故的發(fā)生。
3.原因分析
氫脆就是氫原子進(jìn)入材料內(nèi)部，聚焦在材料缺陷處并引起延遲失效的現(xiàn)象。
（1）氫的產(chǎn)生螺栓表面鍍彩鋅，在電鍍過程中螺栓作為陰極，吸附溶液中的金屬正離子，同時(shí)也會(huì)吸附水電離后生產(chǎn)的H+離子，氫離子很小，可以穿透金屬原子間隙向金屬內(nèi)部浸入。
（2）氫的浸入螺栓是冷擠壓成形，在加工過程中內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯(cuò)，晶界有變形開裂現(xiàn)象；在本例中螺栓回火溫度為480℃，調(diào)質(zhì)后的硬度偏高，內(nèi)部仍舊存在大量缺陷，為氫的快速浸入與吸附集聚創(chuàng)造了有利條件。
（3）氫脆條件螺栓的工作溫度可以達(dá)到275℃，利于其內(nèi)氫原子的擴(kuò)散和聚集，形成氫氣后在高溫下體積膨脹，在材料內(nèi)部形成了的內(nèi)壓，促使在材料缺陷處形成裂紋并極快擴(kuò)展，使螺栓瞬間斷裂。
4.采取措施
（1）增加去氫工藝在電鍍后1h內(nèi)進(jìn)行去氫，工藝規(guī)范為200℃×2h，此時(shí)氫原子主要集聚在金屬表面，合成氫氣后在高溫下利于排出。本案例中發(fā)現(xiàn)螺栓存在氫脆時(shí)，產(chǎn)品電鍍已經(jīng)放置超過30天，氫原子滲入了金屬內(nèi)部，已經(jīng)不能施行去氫工藝。庫(kù)存螺栓全部報(bào)廢，裝車螺栓全部需要更換。
（2）變更硬度的范圍與電鍍工藝螺栓硬度原要求≥32HRC，現(xiàn)更改為32～38HRC，控制螺栓硬度上限，提高調(diào)質(zhì)回火溫度，降低材料內(nèi)部缺陷及內(nèi)應(yīng)力；改鍍彩鋅為鍍鋅鎳合金，以提高鍍層耐高溫性、耐蝕性，同時(shí)降低氫脆敏感性。
5.結(jié)語
高強(qiáng)度螺栓多應(yīng)用在重要的聯(lián)接位置，因氫脆發(fā)生斷裂通常沒有征兆，后果會(huì)十分嚴(yán)重。當(dāng)螺栓等級(jí)大于8.8級(jí)時(shí)，電鍍后均要求去氫處理，此批螺栓硬度要求的變更時(shí)設(shè)計(jì)人員在提高螺栓硬度后并未考慮到電鍍的影響，致使發(fā)生嚴(yán)重批量事故。
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