CC BY
2
Известия ТулГУ. Технические науки. 2024. Вып. 4
УДК 343.148.63
БО!: 10.24412/2071-6168-2024-4-344-345
АНАЛИЗ ОТКАЗОВ БОЛТА ВЫПУСКНОГО КОЛЛЕКТОРА
Е.А. Тарасов
Болт выпускного коллектора сломался во время его обслуживания. В данной работе проведено всестороннее исследование причины разрушения с помощью макроанализа разрушения, химического состава и анализа материалов, металлографического анализа структуры и анализа твердости. Исследования показывают, что болт изготовлен из стали 25Х1МФ, а основной причиной разрушения болта является недостаточная прочность, вызванная низкой твердостью и неравномерной структурой.
Ключевые слова: выпускной коллектор, сталь, вал, разрушение.
Сталь 25Х1МФ представляет собой среднеуглеродистую жаропрочную легированную сталь с хорошими комплексными механическими свойствами и высокой термической прочностью. Высокотемпературный болт из стали 25Х1МФ является важным крепежом выпускного коллектора, которые могут работать при температуре 500 X в течение длительного времени.
В данной работе представлен случай выхода из строя болта, а также подробно проанализирована причина его отказа. Имеется восемь болтов для крепления выпускного коллектора, один из которых сломан. Элементы анализа включают анализ разрушения, спектральный анализ химических элементов, металлографический анализ и анализ твердости.
Макроанализ разрушения. Макроанализ поверхности разрушения сломанного болта проводится, как показано на рисунке 1. Разрушение происходит в задней канавке болта, которая является концентрирующей частью болта. В состоянии затяжки деформация удлинения болта сосредоточена в нижней части резьбы, равно как и концентрация напряжений.
Рис. 1. Фото сломанного болта
На рисунке 2 видно, что поверхность излома серьезно окислена, и большинство поверхностей в основном прямые. Излом начинается от нижней торцевой поверхности и распространяется снизу вверх. Верхняя часть рисунка шероховатая и представляет собой определенный угол, который должен быть окончательной зоной излома. Полосы распространения трещин в зонах распространения и окончательного разрушения становятся все более очевидными, а нагрузка на поверхность болта после растрескивания становится все больше и больше. После многократной очистки разбавленной кислотой на поверхности излома остается толстая оксидная пленка, и под сканирующим электронным микроскопом можно наблюдать только морфологию оксидной пленки. Первоначальная морфология разрушения была повреждена окислением и коррозией при высокой температуре в течение длительного времени. С другой стороны, это показывает, что болт должен продолжать работать в течение длительного времени от начала трещины до разрушения, что приводит к сильному окислению разрушения.
Рис. 2. Излом разрушенного болта
Анализ химического состава. В рамках исследования был проведен элементный анализ болта с помощью полноценного количественного металлоэлементного анализатора. Благодаря лабораторному спектральному анализу было установлено, что состав болта близок к материалу 25Х1МФ, и находится в пределах стандартных требований.
Металлографический анализ структуры. Металлографический структурный анализ поперечного сечения болта представлен на рис. 3.
Машиноведение
л" 1 г *. . /АЛ . . - .. и .. ^дш^^А^ял&тп ^кччнглг.* г .;-■: - с' - , .
Рис. 3. Металлографический структурный анализ поперечного сечения болта
Металлографический анализ структуры показывает, что структура болта представляет собой нормальный и равномерно закаленный сорбит, и аномальная структура не обнаружена, но в структуре болта присутствует больше ферритовых структур.
Анализ твердости. Анализа твердости на металлографических образцах проводился с помощью настольного твердомера. Частью анализа твердости является металлографическая контрольная поверхность.
Согласно результатам анализа, твердость по Бринеллю составила 221 HRC. Таким образом, твердость болта ниже нижнего предела, указанного в стандарте.
Выводы:
1. Согласно результатам спектрального анализа, химический состав близок к материалу сталь 25Х1МФ.
2. Согласно металлографическому анализу структуры, структура болта представляет собой нормальный и равномерно закаленный сорбит, и аномальная структура не обнаружена, но в структуре болта присутствует больше ферритовых структур.
3. Согласно анализу твердости, следует отметить, что значение твердости болта ниже заявленных требований для марки стали 25Х1МФ.
4. Согласно анализу разрушения следует заключить, что разрушение происходит в области общей концентрации напряжений в болте, и характерной особенностью разрушения является хрупкое разрушение. На поверхности имеется серьезная окислительная коррозия, указывающая на то, что растрескивание продолжается в течение длительного времени.
Подводя итог результатам испытаний, можно сказать, что разрушение болта связано с его недостаточной прочностью. Основными причинами недостаточной прочности являются низкое значение твердости болта и неоднородность конструкции. Под действием высокой температуры и большого усилия затяжки болта с высокой концентрацией напряжений, такие как канавка для извлечения инструмента, будут выдерживать большую нагрузку.
Возникновение и распространение трещин происходит в течение определенного периода времени, и нагрузка, действующая на болт, увеличивается с уменьшением площади опоры, что приводит к разрушению. Если в ходе этого процесса усилить контроль за металлом, можно вовремя обнаружить и устранить скрытые опасности.
Список литературы
1. Герасимова Я. П., Ежов А. А., Маресев М. И. Изломы конструкционных сталей: Справочник. М.: Металлургия, 1987. 272 с.
2. Дефекты стали. Справочник / Под ред. С. М. Новокщеновой, М. И. Винограда. М.: Металлургия 1984.
199 с.
3. Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения / Б. К Барахтин, А. М. Немец, И. П. Калинкин. СПб: Профессионал, 2006. 487 с.
4. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна. Т. 3 / Под ред. А. Г. Рахштадта. М.: Интермет Инжиниринг, 2004. Т. 1. 2004. 687 с.
Тарасов Евгений Александрович, канд. техн. наук, доцент, 382652@mail. ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет
ANALYSIS OF EXHAUST MANIFOLD BOLT FAILURES E.A. Tarasov
The exhaust manifold bolt broke during its maintenance. In this work, a comprehensive study of the cause of destruction was carried out using macroanalysis of destruction, chemical composition and analysis of materials, metallographic analysis of structure and hardness analysis. Studies show that the bolt is made of 25X1MF steel, and the main reason for the destruction of the bolt is insufficient strength due to low hardness and uneven structure.
Key words: exhaust manifold, steel, shaft, fracture.
Tarasov Evgeny Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, 382652@mail. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University
