船用柴油機螺柱斷裂原因

陸 慧

(上海材料研究所 上海市工程材料應(yīng)用與評價重點實驗室, 上海 200437)

某船用柴油機螺柱的宏觀形貌如圖1所示，其材料為40CrNiMoA鋼，在鍛造后對該鋼進行調(diào)制處理。該螺柱在運行了約1 000 h后發(fā)生斷裂，為了查明其斷裂原因，筆者采用一系列理化檢驗方法對螺柱進行了分析，以防止該類事故再次發(fā)生。

圖1 某船用柴油機螺柱的宏觀形貌

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對斷裂螺柱進行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)該螺柱斷裂于桿身部位。螺柱的一側(cè)斷口已被破壞，截取另一側(cè)斷口試樣，斷口宏觀形貌如圖2所示，由圖2可知：斷口靠近外緣一圈有明顯的銹蝕色，內(nèi)圈斷口呈金屬色。

圖2 斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂螺柱上取樣，并進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。從分析結(jié)果來看，其化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

表1 斷裂螺柱的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 力學(xué)性能測試

在斷裂螺柱上取樣，對其進行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表2所示。從分析結(jié)果來看，其力學(xué)性能符合技術(shù)要求。

表2 斷裂螺柱的力學(xué)性能測試結(jié)果

1.4 斷口分析

將斷裂螺柱的斷口進行清洗后，置于掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察，發(fā)現(xiàn)內(nèi)圈斷口區(qū)域的SEM形貌呈韌窩特征(見圖3)。外圈斷口區(qū)域的SEM形貌如圖4所示，可見其表面被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，無法觀察斷口的原始形貌。

圖3 內(nèi)圈斷口區(qū)域的SEM形貌

圖4 外圈斷口區(qū)域的SEM形貌

截取斷口剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、拋光后，置于光學(xué)顯微鏡下觀察，可見其斷裂面及平行于斷裂面的裂紋都呈現(xiàn)樹杈狀特征，為典型的應(yīng)力腐蝕裂紋特征(見圖5)。

圖5 斷口剖面拋光態(tài)微觀形貌

將斷口剖面試樣置于SEM下觀察，其SEM形貌如圖6所示，可見應(yīng)力腐蝕裂紋起源處有較明顯的點腐蝕坑。采用能譜儀對腐蝕坑中的腐蝕產(chǎn)物進行化學(xué)元素定性及半定量分析，結(jié)果如圖7所示。

圖6 應(yīng)力腐蝕裂紋SEM形貌

圖7 點腐蝕坑中腐蝕產(chǎn)物能譜分析位置及其能譜圖

2 綜合分析

該斷裂螺柱的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合企業(yè)標準中對40CrNiMoA鋼的技術(shù)要求。

由斷口的宏觀形貌可知，斷口靠近外緣一圈有明顯的銹蝕顏色，內(nèi)圈斷口呈新鮮金屬色。這種斷口顏色明顯呈新舊之分的現(xiàn)象是在2個不同階段形成的：第一階段是桿身遭到腐蝕，腐蝕裂紋擴展；第二階段是當腐蝕裂紋擴展到一定深度，剩余截面積承受不了螺柱的拉力而發(fā)生了瞬斷。根據(jù)斷口剖面的SEM形貌及能譜分析結(jié)果可知，其腐蝕裂紋呈樹杈狀，為典型的應(yīng)力腐蝕裂紋特征[1]，應(yīng)力腐蝕裂紋起源于桿身表面的點腐蝕坑，對點腐蝕坑的能譜分析結(jié)果可知，該螺柱接觸的介質(zhì)中含有腐蝕性元素硫和氯。

綜合上述分析結(jié)果，斷裂螺柱在桿身部位接觸了含有硫和氯元素的介質(zhì)，于桿身表面產(chǎn)生了點腐蝕，在螺柱拉應(yīng)力的作用下，由點腐蝕坑引發(fā)了應(yīng)力腐蝕開裂[2]，當裂紋擴展到一定深度，剩余截面積無法承受拉力時，發(fā)生了瞬斷。

3 結(jié)論

螺柱的斷裂原因是桿身部位接觸了腐蝕性介質(zhì)，產(chǎn)生了點腐蝕，在拉應(yīng)力的作用下由點腐蝕坑引發(fā)了應(yīng)力腐蝕開裂，最終導(dǎo)致斷裂。