螺栓与连杆断裂失效分析测试

连杆与连杆螺栓采用40Cr钢制作，连杆螺栓等级为12.9级；连杆服役已有五年，大修更换活塞、曲轴与连杆螺栓，未更换连杆，大修后服役约4个月发生连杆与连杆螺栓断裂。

断裂连杆及螺栓宏观形貌检查，可见下端连杆盖完好，上端连杆盖和杆身断裂，同时上端连杆盖内表面有明显磨损痕迹。连杆断裂位置有两处且相邻，一处位于上端连杆盖右侧，如图11-164箭头所指处，记为1#断面；另一处位于杆身与上连杆盖连接部位，如图11-164中箭头指处，记为2#断面。两侧紧固螺栓全部断裂，其中右侧螺栓断裂位置有两处，一处位于头杆结合处，如图11-165所示；另一处为位于螺纹部位，断裂残件位于螺纹孔内，如箭头所示。

（1）对故障连杆的检查与结果

故障连杆的1#断面和2#断面的正面宏观形貌，为图11-166所示，为了便于描述裂纹扩展过程，将两个断面分为A、B、B1、C、D、E六个区域（其中B区和B1区是两个吻合的断面），并将裂纹扩展过程用箭头表示，如图所示。通过观察1#断面宏观形貌，可见A区存在明显的疲劳条带，呈疲劳断口特征，从疲劳条带的分布可知疲劳源位于断面右侧边缘位置。

图11-164 送检断裂样品宏观形貌        图11-165  送检断裂样品宏观形貌

图11-166   连杆两个断面正面形貌

图11-167为B区微观形貌，可见明显放射条纹，B、B1区为同一断裂处两个面。

图11-168为C区低倍形貌，疲劳弧线明显，B区裂纹扩展终止部位为C区疲劳扩展源区。

图11-167  B区微观形貌                图11-168  C区电镜低倍形貌

图11-169 为D区低倍形貌，可见明显的疲劳弧线，该区疲劳源位于螺纹孔底部。图11-170所示为E区微观形貌，可见磨损挤压痕迹。

图11-169   D区电镜低倍形貌              图11-170  E区电镜形貌

初始疲劳源产生后，裂纹在交变应力作用下经A区疲劳扩展，而后在冲击应力作用下基体撕裂形成，裂纹，裂纹B区，快速扩展区。B区裂纹扩展终止部位成为新的疲劳源，在交变应力作用下经C区继续扩展。同时螺纹孔底部产生疲劳源，经D区疲劳扩展，疲劳裂纹的扩展导致连杆受力面积不断减小，最终因无法承受应力作用而在E区最终断裂。

对连杆金相分析，连杆断面附近心部的金相组织，可见基体为细回火索氏体组织，表明连杆为调质处理，组织正常，见图11-171所示。

图11-171  连杆断面附近心部金相组织

将连杆断面附近心部区域制样进行硬度试验心部硬度：272、274、272 HV10，硬度值满足技术要求。

采用直读光谱法对连杆进行化学成分分析，测试结果对照《GB/T 3077-1999》，其化学成分与40Cr钢相符合。

（2）对螺栓断口的检查与结果

对断裂螺栓断口检查，断口齐平、光亮，断口宏观形貌见图11-172、图11-173。断口上方边缘较为平整，标断面其余部分较为粗糙。

图11-172   螺栓断口宏观形貌        图11-173   螺栓断口宏观形貌  

                                         图11-174所示为断口等轴韧窝微观形貌。

                                         图11-175所示为断口剪切韧窝微观形貌。

                                      图11-176所示为断口疲劳条带微观形貌

螺栓断口可见明显的疲劳条带，韧窝和剪切韧窝微观形貌。在疲劳裂纹开始扩展后不久，螺栓受到大应力作用，大应力作用超过强度极限而发生断裂。

图11-174螺栓断口等轴韧窝微观形貌       图11-175 断口剪切韧窝微观形貌

                  图11-176  螺栓断口疲劳条带微观形貌

图11-177所示为该断口宏观形貌，可见断口整体较为平整，该断口最接近连杆断裂位置，断口上方磨损严重，中间可见明显的疲劳条带，如图中箭头所示。图11-178所示为断口微观形貌，可见疲劳条带。

图11-177 螺栓断口宏观形貌              图11-178  断口微观形貌

取螺栓断口附近进行金相检查，为断裂螺栓的金相组织，为回火索氏体+少量铁素体，如图11-179所示。

螺纹检查，在螺纹中径处发现有裂纹，裂纹周围无脱碳，裂纹呈锯齿状形态，尾端尖细，应为疲劳扩展裂纹，裂纹形貌如图11-180所示。

在断裂螺栓螺纹部位纵向剖面上螺纹部位无折叠、裂纹、渗碳、脱碳等显微缺陷。

图11-179  断裂螺栓金相组织            图11-180 螺纹中径处裂纹形貌

断裂螺栓的非金属夹杂物检查，根据《GB-T 10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定标准》满足技术 。

对未服役的完好螺栓进行性能检测：抗拉强度1354 MPa；心部硬度HRC 42～41.5；螺栓抗拉强度、硬度达到《GB/T 3098.1-2010紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》标准对12.9级螺栓要求。                        

连杆与螺栓的化学成分、金相组织、表面缺陷、性能等均无明显异常，因此，并非因零件本身材质问题导致断裂。连杆两个断面均可见明显的疲劳条纹，靠近连杆断裂位置的螺栓断口也呈疲劳断口断裂特征，远离连杆断裂位置的螺栓断口为大应力作用下瞬间断裂。由于连杆初始疲劳源部分缺失，未能确定初始疲劳产生的部位，但是结合螺栓断裂情况，推断断裂的原因可能是大修时安装螺栓的预紧力不符合技术要求。若安装预紧力过小，会造成连杆套与曲轴配合不够紧密而使整个机构运行不稳定，产生较大冲击；若安装预紧力过大，超出强度极限，引起显微裂纹萌生，也会成为疲劳源。

连杆断口的大面积疲劳扩展区及连杆套内表面的磨损痕迹表明，整个机构在最终破坏前已经存在配合不良现象，同时配合不良又加剧了机构的振动与冲击，而振动和冲击又是形成疲劳源和疲劳裂纹扩展的因素。从分析结果可知，疲劳裂纹不仅存在于螺栓上，同时也存在于连杆上。疲劳源形成后，螺栓与连杆上的裂纹在交变应力作用下不断扩展，直至最终断裂。

   从该连杆机构的服役历程可知，连杆已正常服役5年，说明连杆本身无质量问题，对连杆螺栓的检测结果也表明螺栓各项性能指标符合标准要求。整个机构的失效恰巧发生在大修之后，其断裂特征又是疲劳断裂，由此可推断，造成机构失效的根本原因是发动机在大修时装配不良造成。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

（1）连杆与螺栓的断裂性质是疲劳断裂。

（2）引起疲劳断裂的根本原因是装配不良。

（3）控制安装预紧力，防止安装预紧力过小或过大。