米兰 分享：船用发动机活塞用40CrNiMoA钢螺栓断裂原因

分享：船用发动机活塞用40CrNiMoA钢螺栓断裂原因

2025-12-22 10:42·国检检测

40CrNiMoA钢为高强度钢，广泛用于制造各种高载荷紧固件、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]、焊接裂纹[3]、过载[4]、原材料夹杂断裂[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。该螺栓在服役约5 000 h后发生断裂，螺栓头已遗失，无法进行分析。选择与断裂螺栓（1号螺栓）同批次生产、安装在同一活塞上临近位置的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检验分析，以避免该类问题再次发生。

图 1 断裂螺栓和2号螺栓的宏观形貌

1. 理化检验

1.1 宏观观察

对螺栓断口进行宏观观察，结果如图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，断口大致与轴向垂直，整体上较为平整；右侧区域为断裂源区，颜色发黑；左侧为最后断裂区，断裂源区侧面呈黑色；除断裂源区外，螺栓表面均为光亮状态。

图 2 螺栓断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

采用红外碳硫仪和直读光谱仪对断裂螺栓进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂螺栓的化学成分符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对40CrNiMoA钢的标准要求。

Table 1. 断裂螺栓的化学成分分析结果

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1.3 力学性能测试

从1号和2号螺栓上分别截取试样，对试样进行拉伸试验、冲击试验、布氏硬度试验，结果如表2所示。由表2可知：螺栓的拉伸性能和冲击性能符合EN ISO 898-1 2013 《碳钢和合金钢紧固件机械性能 第1部分：性能等级规定的螺栓、螺钉和螺柱 粗螺纹和细齿螺纹》的要求，布氏硬度符合图纸技术要求。

Table 2. 1号和2号螺栓的力学性能测试结果

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观察，结果如图3所示。由图3可知：断裂源区可见腐蚀坑，断口黑色区域处存在龟裂状覆盖异物；扩展区可见较多大致平行的二次裂纹，呈典型疲劳断裂特征；瞬断区可见韧窝。断裂源区侧面SEM形貌如图4所示，可见断裂源区存在明显腐蚀坑，其附近可见较小的点状腐蚀坑。

图 3 螺栓断口SEM形貌

图 4 断裂源区侧面SEM形貌

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对断口覆盖异物和侧面腐蚀坑进行能谱分析，分析位置分别如图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 断口覆盖异物和侧面腐蚀坑能谱分析结果

1.5 金相检验

在螺栓断裂源区截取金相试样，对试样进行金相检验，结果如图6所示。由图6可知：断裂源区位于螺纹根部，米兰体育官网附近表面未见异常；基体和断裂源区的组织均为回火索氏体。

图 6 断裂螺栓的微观形貌

2. 综合分析

由上述理化检验结果可知，断裂螺栓的化学成分、拉伸性能、冲击性能、布氏硬度等均符合相关标准要求，材料的显微组织为回火索氏体，为正常热处理组织，说明该螺栓的生产工艺无异常。螺栓断口扩展区可见较多大致平行的二次裂纹，为疲劳断裂典型特征；瞬断区呈韧窝特征。断口未见氢脆的沿晶特征和晶间裂纹，可以排除氢脆的可能。断裂源区和侧面存在明显腐蚀坑，除腐蚀坑外其余区域均为光亮状态，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，在发动机工作时，活塞进行快速高频的往复运动，螺栓受到循环往复的载荷，为疲劳断裂提供了交变应力。螺栓表面腐蚀坑位于螺栓头部与杆部的过渡R角处，该处存在应力集中，且点腐蚀坑进一步加剧了应力集中程度，导致该处萌生了疲劳微裂纹。该螺栓与活塞紧密结合，螺栓过渡R角处为密封状态，且多根固定螺栓中只有一根存在腐蚀情况，因此判断腐蚀介质来源于工作环境外。该发动机已经过多次周期检修，前几次并未发现螺栓存在异常情况，说明该螺栓在最近一次拆装检修过程中接触腐蚀介质。为防止同类情况发生，应对检修过程进行进一步规范操作。

3. 结论

螺栓在拆装检修期间接触了腐蚀介质，使螺栓头部与杆部的过渡R角出现点腐蚀坑，加剧了该位置的应力集中程度，在活塞循环往复运动产生的交变应力作用下，该处萌生了微裂纹，裂纹疲劳扩展，最终导致螺栓发生断裂。

文章来源——材料与测试网