標準螺栓常見斷裂原因及主要特征

楊 維，李 益，張 沖

（中交西安筑路機械有限公司，陜西 西安710200）

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設備管理與維修

標準螺栓常見斷裂原因及主要特征

楊 維，李 益，張 沖

（中交西安筑路機械有限公司，陜西 西安710200）

摘要：在筑養(yǎng)路設備制造過程出現(xiàn)了多起標準螺栓批量斷裂事故，針對螺栓斷裂的常見原因及主要特征進行了分析、歸納。提出標準件的斷裂形式主要為氫脆斷裂和脫碳疲勞斷裂兩種失效形態(tài)，并對其斷裂特征分別進行了闡述。結(jié)果表明：螺栓斷裂主要受加工過程工藝因素影響，氫脆斷裂是由于電鍍驅(qū)氫不徹底造成，脫碳疲勞斷裂是因熱處理工藝不當引起。

關(guān)鍵詞：螺栓；氫脆；疲勞斷裂；脫碳層

標準件，亦稱緊固件，它是機械設備生產(chǎn)安裝和調(diào)試過程應用最廣泛的機械基礎件，在筑養(yǎng)路機械設備的制造生產(chǎn)過程中應用量極大。標準螺栓是用于聯(lián)接和緊固零部件的元件，若性能可靠性出現(xiàn)問題將會直接導致設備故障，甚至引起重大事故發(fā)生，但是，在實際應用過程中經(jīng)常會產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，讓人很難預測。大多認為螺栓的斷裂是由于抗拉強度、疲勞強度所致，其實不然，在設計過程必然會進行等級強度核定，經(jīng)過反復試驗，且有嚴格的性能檢測標準[1]，因螺栓的強度不夠而損壞的可能性很小，但也不排除有個別螺栓緊固件因預緊力矩太小或過大引起失效。經(jīng)過大量的分析、考查，證實其大多數(shù)的標準件斷裂主要是由于加工工藝因素導致了產(chǎn)品質(zhì)量問題。

據(jù)統(tǒng)計，2014年3月至2015年底某公司因標準件批量斷裂問題引起的設備故障事故為5起，給該公司帶來了巨大的經(jīng)濟損失，且造成了極大的不良影響。為此，本文針對標準件批量斷裂的原因進行了分析，并提出了主要的常見斷裂原因及特征體現(xiàn)，為后續(xù)判斷標準件的失效分析提供了一些理論參考依據(jù)，可以從根本上對標準件的質(zhì)量控制與失效預防起到一個預期的效果。

1　斷裂概況

在筑養(yǎng)路設備制造行業(yè)中，為了保證緊固件具有更高的安全性、可靠性，所要求供應商提供的緊固件產(chǎn)品為零缺陷，多選用材料為40Cr或35CrMo等級8.8級以上的電鍍標準件，該類螺栓均經(jīng)過熱處理調(diào)質(zhì)、機加工、電鍍等工藝生產(chǎn)流程。但在設備安裝、調(diào)試或后期設備運行過程中出現(xiàn)了多起螺栓批量斷裂事故，其螺栓規(guī)格為M10×35和M20×80范圍之間。其中圖1為一典型的同批螺栓斷裂視圖，該型螺栓斷裂于螺紋處同一位置，斷口形貌相似，均為脆性斷裂特征。

圖1　螺栓斷裂視圖

2　常見斷裂原因及主要特征

2.1氫脆斷裂

氫脆斷裂是緊固件產(chǎn)品比較常見的一種失效形式，是零件在低于材料屈服強度的靜應力作用下因氫含量較高而導致的一種失效，是由于電鍍酸洗過程中氫滲入金屬內(nèi)部導致的損傷[2]，具有突發(fā)性，因此氫脆斷裂具有極大的破壞性。產(chǎn)生氫脆因素主要與氫含量有關(guān)，但也與鋼中的碳含量、顯微組織、強度以及零件所受應力等因素有關(guān)，材料強度越高，所受應力越大，其氫脆敏感性越大。但其氫脆斷裂特征尤為典型。

（1）斷口形貌鮮明

如圖2所示，螺栓斷口掃描電鏡形貌為常見斷口，無明顯塑性變形，有放射狀條紋收斂于斷口邊緣，根據(jù)條紋走向可判斷起裂源位于螺栓斷口左上部邊緣。

圖2　螺栓斷口掃描電鏡形貌

圖3為裂紋源處斷口微觀形貌，為典型的冰糖狀沿晶斷口，沿晶面上存在明顯的“雞爪痕”，并伴有晶間二次裂紋，該特征為特有的氫脆斷口形貌[3-4]。

圖3　裂紋源處斷口微觀形貌

（2）氫含量偏高

對該類型斷裂螺栓殘件進行氫含量測定，會發(fā)現(xiàn)斷裂殘件斷裂部位的氫含量明顯高于螺栓其他部位，說明已有較多的氫由螺栓斷裂部位滲入螺栓內(nèi)部。對于高強螺栓，氫脆敏感值必須嚴格控制，若螺栓氫含量高于0.0005%范圍，就極其危險，很可能引發(fā)氫脆現(xiàn)象[4]。

2.2脫碳疲勞斷裂

疲勞斷裂也是螺栓最常見的一種失效形式，若熱處理工藝不當，螺栓表層會產(chǎn)生脫碳層，致使材料表層組織和心部組織產(chǎn)生差異，降低了螺栓的表面強度和硬度，疲勞強度下降明顯，在螺紋頸部過渡R處應力集中區(qū)，疲勞裂紋易于萌生，引起疲勞斷裂[5]。該類斷裂的主要特征為較厚的脫碳層存在，體現(xiàn)如下。

2.1.1金相組織

在斷裂螺栓的橫、縱截面分別截取金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋、4%硝酸酒精溶液侵蝕后，置于光學顯微鏡下觀察，從試樣表層至心部進行顯微組織分析。

圖4為斷裂螺栓縱截面的顯微組織，可見螺紋脫碳層深度已遠大于外螺紋牙型高度的1/2，脫碳層明顯，不符合GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘、螺柱》對螺栓螺紋深度規(guī)定的技術(shù)要求。

圖4　斷裂螺栓縱截面的顯微組織

從螺栓的橫截面試樣觀察，會發(fā)現(xiàn)表層與心部的顯微組織完全不同[6]，如圖5表層的顯微組織為大量鐵素體，呈羽毛狀或三角狀；圖6心部的顯微組織為回火索氏體和少量片狀鐵素體。可見螺栓螺紋表層與心部組織不同，表層區(qū)域脫碳現(xiàn)象嚴重。

圖5　表層的顯微組織

圖6　心部的顯微組織

2.2.2硬度檢測

從斷裂螺栓螺柱部位切取橫向試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后使用2.94 N（300 gf）載荷從試樣表面至心部進行顯微硬度梯度檢測，按GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘、螺柱》脫碳層測定要求，當螺紋中徑線位置表面硬度小于心部硬度30HV0.3數(shù)值，說明螺栓表面存在明顯脫碳現(xiàn)象。如圖7螺栓表面硬度梯度分布，2至3段為心部平穩(wěn)區(qū)，1至2段為脫碳層深度，HV2>HV1+30，從圖可見螺栓表面脫碳層深為0.3mm，嚴重脫碳。

圖7　螺栓表面硬度梯度分布圖

3　結(jié)束語

（1）螺栓批量斷裂現(xiàn)象主要因加工過程工藝因素導致，常見的標準件斷裂形態(tài)為氫脆斷裂和脫碳疲勞斷裂兩種失效方式，氫脆斷裂是由于電鍍驅(qū)氫不徹底造成，脫碳疲勞斷裂是因熱處理不當引起。

（2）氫脆斷裂是電鍍過程酸性介質(zhì)接觸造成大量氫聚集，對其周圍物質(zhì)產(chǎn)生巨大壓力，螺栓硬度高，使得材料對氫敏感性增強，兩者結(jié)合導致發(fā)生氫脆延遲斷裂。從工藝控制來講，在不影響鍍層質(zhì)量前提下，為了徹底除氫可以適當提高驅(qū)氫溫度、延長保溫時間，也可考慮直接選用發(fā)黑處理。同時，為了進一步排除螺栓氫脆傾向，在檢測過程可以根據(jù)GB/T3098.17-2010進行氫脆預載荷試驗[7]，防止氫脆現(xiàn)象。

（3）脫碳疲勞斷裂是熱處理不當所引起的表面脫碳層所致。脫碳層的存在會降低鋼的耐磨性和抗疲勞性能，螺栓表面脫碳使其表層組織和心部組織產(chǎn)生了差異，導致自身的表面疲勞強度降低，且很容易在脫碳層應力集中處萌生疲勞裂紋源，進而在受力狀態(tài)下必然產(chǎn)生疲勞斷裂。在熱處理過程可以通過嚴格控制加熱保溫時間，改用保溫氣氛好的真空爐或鹽浴加熱爐設備的措施來預防脫碳層的產(chǎn)生，從而有效地控制螺栓的疲勞斷裂。

參考文獻：

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[2]任頌贊，張靜江.鋼鐵金相圖譜[M].上海：上?？茖W技術(shù)文獻出版社，2003：714-715.

[3]王慧，陳偉峰.汽車方向盤自擠螺釘斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊，2013，49（3）：194-196.

[4]蔣佩華，王蔚，王慧.12.9級內(nèi)六角圓柱螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊，2013，49（8）：560-562.

[5]王榮，李玲.蝸輪連接螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊，2012，48（6）：397-402.

[6]吳繼權(quán)，趙昆玉，沈創(chuàng)謙.40ACR高強螺栓斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊，2015，51（3）：203-205.

[7]GB/T3098.17-2010，緊固件機械性能檢查氫脆用預載荷試驗平衡支承面法[S].

中圖分類號：TG115

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0172-03

收稿日期：2016-01-06

作者簡介：楊維（1980-），西安人，男，本科，工程師，研究方向：金屬材料理化檢測及失效分析。

Common Fault Causes and Characteristics for Standard Bolt

YANG Wei，LI Yi，ZHUANG Chong
（CCCC Xi’an Road Construction Machinery Co.Ltd.，Xi’an 710200，China）

Abstract:In road construction and maintenance equipment manufacturing process there have been many batches of standard bolt fracture.In this paper，the common cause and main characteristics were analyzed and summarized. Two main failure modes for standard bolt what hydrogen embrittlement and carbon-induced fatigue fracture have been proposed，and related features are described.Results show that the bolt is mainly influenced by process technology factors，hydrogen embrittlement fracture was caused by incomplete plating hydrogen removal，carboninduced fatigue fracture was due to improper heat treatment process.

Key words:bolt；hydrogen embrittlement；fatigue fracture；decarburized layer