快卸圈条螺栓断裂原因分析

1 引言

在检查时发现发动机快卸圈条上的一个螺栓与螺母断裂。断裂螺栓材料为 30CrMnSiA。其主要加工工艺过程为：毛料-车工-钳工-热处理-车工-磁粉探伤-消除应力-镀镉-磁粉探伤-铬酸盐处理-钳工-检验；螺母图号为：HB1-403M8，强度为 σb=980±100MPa ，表面处理为镀锌钝化，材料为30CrMnSiA。为查明螺栓产生裂纹的原因，对失效螺栓与螺母进行了理化检验和分析。

2 理化检验

2.1 宏观观察

失效的螺栓断裂位于距螺栓端头的第6-7 扣螺纹根部（匹配螺母一端），沿周向开裂。断口表面较粗糙，断面平齐，呈银灰色，断口心部区域可见磨损，无明显的塑性变形痕迹。匹配断裂螺母沿轴向开裂两处，断口表面较粗糙，表面部分呈灰褐色，中心局部区域呈银灰色，断口平齐，无明显的塑性变形痕迹。靠近保险孔区域的螺母表面可见沿径向的裂纹。

2.2 微观检查

在扫描电镜下分别对断裂螺栓及匹配螺母断口进行观察，断裂螺栓整个断口呈典型的沿晶断裂形貌特征，断口边缘表面可见熔融状覆盖的沿晶特征形貌，向中心有少量白色小颗粒状覆盖的沿晶特征形貌；匹配螺母的整个断口呈典型的沿晶断裂形貌特征，断口表面灰褐色区域主要呈熔融状覆盖的沿晶特征形貌，断口中部银灰色区域为沿晶特征形貌，沿晶上可见少量白色小颗粒。

对断裂螺栓断口及匹配螺母断口表面微区成分进行能谱成分分析，结果表明断口边缘熔融状覆盖物为金属镉，白色小颗粒也为金属镉，断裂螺栓断口及匹配螺母断口除基体元素外，均还含有少量 Zn ，且表明镉元素含量从表面边缘向心部逐渐降低。

2.3 金相检查

在断裂螺栓基体取样进行金相组织检查，腐蚀后观察，金相组织为回火索氏体，未见冶金缺陷。

2.4 硬度试验

对断裂螺栓进行硬度试验，试验结果为 HRC37.2~38.5，换算成强度为σb=1139~1187MPa，图纸要求 σ_b=1080～1280MPa ，符合要求。

3 分析与讨论

从金相检查、硬度检查结果可知，显微组织正常，硬度换算成强度，满足图纸要求，说明螺栓的热处理工艺正常。

从断裂螺栓宏观观察可知，断裂位于螺栓端头螺纹第 6-7 扣根部（匹配螺母一端），沿周向开裂。断口表面较粗糙，断面平齐，呈银灰色，断口心部区域可见磨损，无明显的塑性变形痕迹，为典型的脆性断口特征。从微观观察可知，断裂螺栓整个断口呈沿晶断裂形貌特征，断面边缘表面可见熔融状覆盖的沿晶特征形貌，向中心有少量白色小颗粒状覆盖的沿晶特征形貌，表明断裂螺栓为脆性沿晶断裂断口。从断口表面微区能谱成分结果表明，整个断口沿晶断裂表面存在金属镉元素，且含量从表面边缘向心部逐渐降低，表明断裂螺栓断口为金属镉引起的沿晶断口。

镉脆的脆化效应能在镀镉的零件上发生，也能在与镀镉层相接触的零件上发生，镀镉层通常允许的最高使用温度为 230^∘C 。镉脆的三要素为：1）存在 Cd 元素；2）适当的拉应力；3）较高的温度。首先螺栓表面处理为镀镉，匹配螺母与其相互接触；其次螺栓为连接件，在工作中主要受紧固拉伸应力作用，螺栓螺纹根部为应力集中区；经调查螺栓工作区环境温度最高可达到 384.4^∘C ，高于镀镉层允许的使用温度，或螺栓区域出现局部超温现象，超过镀镉层通常允许的使用温度，以上因素使得螺栓具备发生镉脆断裂的全部条件。在发动机工作过程中，在温度和应力的共同作用下，导致螺栓发生镉脆断裂。由于螺栓与螺母表面紧密接触，使得金属镉扩散到螺母基体中，同样导致螺母发生镉脆开裂。

4 结论及建议

（1）快卸圈条螺栓系镉脆断裂；匹配螺母系镉脆开裂。

（2）建议调整该螺栓的表面处理工艺，可采用镀锌、发蓝等工艺或采用其它防腐蚀能力较强的材料。