某 某 船 船 用 用 柴 柴 油 油 机 机 紧 紧 固 固 螺 螺 母 母 纵 纵 向 向 开 开 裂 裂 失 失 效 效 分 分 析 析
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某 柴 油 机 上 的 紧 固 螺 母 在 工 作27h 后 出 现 批 量 性 早 期 开 裂 现 象 ， 均 为 纵 向 裂 纹 ， 给 生 产 厂 家 和 用 户 造 成 了 严 重 的
经 济 损 失 。 紧 固 螺 母 的 失 效 将 导 致 喷 油 嘴 松 脱 和 错 位 ， 甚 至 会 影 响 柴 油 机 的 正 常 工 作 。 紧 固 螺 母 的 开 裂 有 其 自
身 的 原 因 也 有 使 用 方 面 的 因 素 。 为 找 出 紧 固 螺 母 出 现 开 裂 的 原 因 ， 本 文 对 开 裂 紧 固 螺 母 的 断 口 形 貌 、 金 相 组
织 、 化 学 成 分 、 硬 度 进 行 检 测 和 综 合 分 析 。 该 紧 固 螺 母 的 材 质 为40Cr ， 技 术 要 求 ： 调 质 处 理 ， 硬 度
31~35HRC 。 螺 纹 处 加 工 方 式 为 车 削 加 工 。1. 检 检 测 测 方 方 法 法 对 开 裂 紧 固 螺 母 的 宏 观 形 貌 进 行 检 测 记 录 。 利 用 扫 描 电
子 显 微 镜 （Quanta 200 型 环 境 扫 描 电 镜 ） 和 金 相 显 微 镜 （LECIA DM6000M ） 分 别 检 测 样 品 的 开 裂 断 口 微 观 形
貌 和 金 相 组 织 ， 然 后 取 样 用 直 读 光 谱 仪 （PDA-5500 ） 测 量 其 化 学 成 分 。 洛 氏 硬 度 的 测 试 在60CE 型 数 显 洛 氏 硬
度 计 上 进 行 ， 所 施 加 的 载 荷 为150kg （1kg=9.8N ） ， 加 载 时 间 为10s 。 维 氏 硬 度 值 的 测 试 在LM247 AT 型 显 微 维
氏 硬 度 检 测 仪 上 进 行 ， 所 施 加 的 载 荷 为300g ， 加 载 时 间 为10s 。2. 检 检 验 验 结 结 果 果 与 与 分 分 析 析 （ （1 ） ） 断 断 口 口 宏 宏 观 观 观 观 察 察 图1 为 样
品 宏 观 图 片 ， 图2 为 断 口 宏 观 形 貌 。 试 样 沿 纵 向 表 面 出 现 贯 穿 性 裂 纹 。 将 裂 纹 打 开 后 超 声 清 洗 干 净 断 口 。 观 察 发
现 ， 裂 纹 起 始 于 第 四 颗 齿 的 齿 顶 侧 面 处 ， 断 口 新 鲜 、 粗 糙 ， 有 金 属 光 泽 ， 无 腐 蚀 痕 迹 。
图 图1 样 样 品 品 宏 宏 观 观 图 图 片 片
图 图2 断 断 口 口 宏 宏 观 观 形 形 貌 貌
（ （2 ） ） 断 断 口 口 微 微 观 观 观 观 察 察 裂 纹 源 处 断 口 形 貌 如 图3 ～ 图6 所 示 。 裂 纹 起 始 于 内 表 面 第 四 颗 齿 靠 近 齿 顶 侧 面 。 裂 纹 呈 放 射
状 向 外 表 面 扩 展 ， 基 体 组 织 呈 现 扭 转 状 态 ， 裂 纹 源 处 表 面 氧 化 ， 看 不 清 真 实 形 貌 特 征 。图 图3 断 断 口 口 形 形 貌 貌 （ （10× ） ）
图 图4 裂 裂 纹 纹 源 源 处 处 断 断 口 口 形 形 貌 貌 （ （40× ） ）图 图5 裂 裂 纹 纹 源 源 处 处 断 断 口 口 形 形 貌 貌 （ （1300× ） ）
图 图6 裂 裂 纹 纹 源 源 处 处 断 断 口 口 形 形 貌 貌 （ （1500× ） ）
裂 纹 源 附 近 断 口 形 貌 如 图7 所 示 。 裂 纹 源 附 近 及 裂 纹 扩 展 区 主 要 为 准 解 理 形 貌 ， 为 典 型 疲 劳 断 裂 形 貌 特 征 ， 疲 劳
扩 展 区 较 小 ， 约 占 整 个 断 口 面 积 的10% ， 说 明 样 品 受 力 较 大 。图 图7 裂 裂 纹 纹 源 源 附 附 近 近 断 断 口 口 形 形 貌 貌 （ （2500× ） ）
快 速 断 裂 区 断 口 形 貌 如 图8 所 示 。 快 速 断 裂 区 主 要 为 撕 裂 韧 窝 的 韧 性 断 裂 ， 断 裂 纹 路 沿 纵 向 。 对 裂 纹 源 处 内 表 面
形 貌 进 行 分 析 ， 与 相 邻 对 应 位 置 对 比 发 现 裂 纹 源 处 基 体 组 织 存 在 异 常 凸 起 ， 凸 起 组 织 与 基 体 连 续 性 不 好 。
图 图8 快 快 速 速 断 断 裂 裂 区 区 断 断 口 口 形 形 貌 貌 （ （2000× ） ）
裂 纹 源 处 内 表 面 形 貌 如 图9 ～ 图11 所 示 ， 正 常 位 置 内 表 面 形 貌 如 图12 所 示 。图 图9 裂 裂 纹 纹 源 源 处 处 内 内 表 表 面 面 形 形 貌 貌 （ （100× ） ）
图 图10 裂 裂 纹 纹 源 源 处 处 内 内 表 表 面 面 形 形 貌 貌 （ （250× ） ）图 图11 裂 裂 纹 纹 源 源 处 处 内 内 表 表 面 面 形 形 貌 貌 （ （500× ） ）
图 图12 正 正 常 常 位 位 置 置 内 内 表 表 面 面 形 形 貌 貌 （ （100× ） ） （ （3 ） ） 非 非 金 金 属 属 夹 夹 杂 杂 物 物 评 评 定 定 对 紧 固 螺 母 进 行 非 金 属 夹 杂 物 检 测 。 硫 化 物 类 级 别 ：0.5
级 （ 细 系 ） ， 氧 化 铝 类 级 别 ：0.5 级 （ 细 系 ） ， 硅 酸 盐 类 级 别 ：0.5 级 （ 细 系 ） ， 球 状 氧 化 物 类 级 别 ：0.5 级 （ 细
系 ） ， 单 颗 粒 非 金 属 夹 杂 物 级 别 ：1 级 。 （ （4 ） ） 金 金 相 相 组 组 织 织 在 裂 纹 源 处 取 样 进 行 金 相 组 织 分 析 。 在 裂 纹 源 处 存 在 微
裂 纹 ， 裂 纹 两 侧 无 脱 碳 现 象 ， 与 形 貌 分 析 存 在 的 基 体 组 织 异 常 凸 起 吻 合 。 所 选 用 的 腐 蚀 剂 为4% 硝 酸 酒 精 溶 液 。
裂 纹 源 处 金 相 组 织 ： 回 火 索 氏 体+ 少 量 铁 素 体 ， 组 织 级 别 ：2 级 ， 如 图13 ～ 图15 所 示 。图 图13 裂 裂 纹 纹 源 源 处 处 形 形 态 态 （ （100× ） ）
图 图14 裂 裂 纹 纹 源 源 处 处 金 金 相 相 组 组 织 织 （ （200× ） ）图 图15 裂 裂 纹 纹 源 源 处 处 金 金 相 相 组 组 织 织 （ （500× ） ）
心 部 组 织 与 裂 纹 源 处 组 织 一 致 ， 如 图16 所 示 。 带 状 组 织 如 图17 所 示 ， 推 测 原 材 料 带 状 组 织 为3 级 。
图 图16 心 心 部 部 金 金 相 相 组 组 织 织 （ （500× ） ）图 图17 带 带 状 状 组 组 织 织 （ （100× ） ）
螺 纹 牙 顶 金 相 组 织 为 回 火 索 氏 体+ 少 量 铁 素 体 ， 与 基 体 组 织 一 致 ， 如 图18 、 图19 所 示 。
图 图18 螺 螺 纹 纹 牙 牙 顶 顶 处 处 金 金 相 相 组 组 织 织 （ （200× ） ）图 图19 螺 螺 纹 纹 牙 牙 顶 顶 处 处 金 金 相 相 组 组 （ （500× ） ）
根 据 技 术 要 求 、 图 样 以 及 相 关 标 准 的 要 求 ， 该 紧 固 螺 母 的 金 相 组 织 合 格 。 螺 纹 牙 顶 有 明 显 的 异 常 凸 起 及 毛 刺 ，
牙 底 加 工 正 常 ， 如 图20 所 示 。
图 图20 螺 螺 纹 纹 牙 牙 顶 顶 处 处 异 异 常 常 凸 凸 起 起 （ （50× ） ）
（ （5 ） ） 化 化 学 学 成 成 分 分 分 分 析 析 对 紧 固 螺 母 进 行 化 学 成 分 分 析 ， 结 果 如 表1 所 示 。 可 见 该 紧 固 螺 母 的 化 学 成 分 符 合40Cr 钢 标
准 成 分 要 求 。
（ （6 ） ） 硬 硬 度 度 检 检 测 测 检 测 了 样 品 心 部 洛 氏 硬 度 ， 第 一 点41HRC ， 第 二 点41HRC ， 第 三 点42HRC 。 螺 纹 处 维 氏 硬 度 分
布 曲 线 如 图21 所 示 。 由 图21 可 知 ， 在 距 离 螺 纹 表 面0.05~0.65mm 处 硬 度 在390HV0.3 （41HRC ） 左 右 ， 硬 度 变
化 不 大 。 结 合 螺 纹 处 金 相 组 织 和 硬 度 检 测 ， 螺 纹 处 无 脱 碳 现 象 。 从 该 紧 固 螺 母 的 技 术 要 求 来 看 ， 心 部 和 螺 纹 处
硬 度 偏 高 。图 图21 螺 螺 纹 纹 处 处 硬 硬 度 度 分 分 布 布 曲 曲 线 线
3. 综 综 合 合 分 分 析 析 由 断 口 及 内 表 面 形 貌 分 析 可 知 ， 裂 纹 起 始 于 第 四 颗 齿 的 齿 顶 侧 面 ， 呈 放 射 状 扩 展 ， 在 靠 近 裂 纹 源 区
域 为 准 解 理 疲 劳 断 裂 ， 占 断 口 总 面 积 的10% 左 右 ， 疲 劳 扩 展 区 域 较 小 ； 快 速 断 裂 区 域 主 要 为 撕 裂 韧 窝 的 韧 性 断
裂 ； 由 裂 纹 源 内 侧 表 面 形 貌 可 知 ， 裂 纹 源 处 基 体 组 织 连 续 性 不 好 ， 应 该 为 表 面 折 叠 裂 纹 。 样 品 化 学 成 分 符 合
40Cr 材 料 要 求 ， 硬 度 高 于 技 术 要 求 。 由 金 相 组 织 分 析 可 知 ， 在 裂 纹 源 处 存 在 微 裂 纹 ， 裂 纹 两 侧 无 脱 碳 现 象 ， 说
明 裂 纹 为 热 处 理 后 出 现 ， 应 该 为 热 处 理 后 精 加 工 成 形 过 程 中 形 成 的 表 面 折 叠 ； 螺 纹 处 加 工 质 量 较 差 ， 牙 顶 有 明
显 的 异 常 凸 起 ； 裂 纹 源 及 心 部 金 相 组 织 无 异 常 。4. 结 结 论 论 与 与 建 建 议 议 措 措 施 施 根 据 紧 固 螺 母 的 检 测 与 分 析 ， 得 出 以 下 结
论 ： （1 ） 样 品 应 该 是 由 于 在 裂 纹 源 处 存 在 原 始 表 面 微 裂 纹 缺 陷 ， 在 外 力 作 用 下 裂 纹 于 缺 陷 处 萌 生 并 发 生 快 速 疲
劳 断 裂 。 （2 ） 螺 纹 位 置 的 厚 度 较 薄 ， 不 到2mm 。 最 终 导 致 螺 纹 缺 陷 在 预 紧 力 的 作 用 下 迅 速 沿 纵 向 扩 展 ， 直 至 应
力 完 全 释 放 。 （3 ） 材 料 硬 度 高 于 技 术 要 求 ， 导 致 材 料 韧 性 下 降 。 结 合 该 紧 固 螺 母 的 实 际 情 况 ， 提 出 以 下 改 进 建
议 ： 第 一 ， 降 低 零 件 的 硬 度 要 求 ， 控 制 在28~32HRC 。
第 二 ， 加 厚 螺 纹 位 置 处 的 厚 度 。 第 三 ， 换 成 韧 性 更 好 的 材 料 ， 如42CrMo 、40CrNiMo 等 。 第 四 ， 提 高 加 工 质
量 ， 加 强 对 螺 纹 位 置 的 检 测 。5. 效 效 果 果 试 试 验 验 验 验 证 证 我 公 司 将 紧 固 螺 母 的 材 料 由40Cr 更 换 为40CrNiMo ， 对 螺 纹 精 密 加
工 ， 螺 纹 位 置 处 的 厚 度 加 厚 为2.8mm 。 通 过 对 紧 固 螺 母 的 整 改 和 试 验 ， 验 证 了 上 述 结 论 ， 有 效 解 决 了 该 紧 固 螺
母 开 裂 故 障 。 改 进 后 的 紧 固 螺 母 使 用 至 今 ， 均 未 发 生 开 裂 。
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