42CrMo鋼螺栓失效分析

熊 勇 陳昌達 謝向宇 方明偉 陳 巖

(1 貴州黎陽航空動力有限公司，貴陽 550000)(2 貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴陽 550000)

42CrMo鋼螺栓失效分析

熊 勇1陳昌達1謝向宇2方明偉2陳 巖1

(1 貴州黎陽航空動力有限公司，貴陽 550000)(2 貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴陽 550000)

外六角螺栓，應(yīng)力腐蝕，應(yīng)力集中，回火脆性

0 引言

螺栓廣泛用于航空、航天等領(lǐng)域，螺栓失效往往導(dǎo)致十分嚴(yán)重的后果[1-5]。42CrMo鋼具有較好的綜合力學(xué)性能[6]。盡管該材料具有許多優(yōu)點，但其在實際生產(chǎn)應(yīng)用中仍然會出現(xiàn)意外失效的情況[7]，在某導(dǎo)彈發(fā)射架進行第3次動載荷試驗過程中42CrMo外六角高強度螺栓發(fā)生了斷裂失效，為了找出其失效的原因，對該螺栓進行了理化檢驗和分析，并提出相關(guān)建議，以防止類似故障的發(fā)生。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣參數(shù)

該導(dǎo)彈發(fā)射架上一共有16根螺栓，規(guī)格為M42 mm×110 mm，制造工藝：粗加工→墩頭→第一次熱處理→精加工→第二次熱處理→探傷檢查→酸洗→表面鍍鋅→除氫處理。

1.2 分析方法

故障螺栓的宏觀形貌通過佳能EOS 60D型相機記錄；斷口的微觀形貌用蔡司EVO 60型掃描電子顯微鏡分析；在斷裂零件的桿部各取橫向和縱向試樣一個，分別經(jīng)過切割、鑲嵌、磨拋、腐蝕(4%硝酸酒精溶液)，置于徠卡MM6型金相顯微鏡下觀察；對兩金相試樣重新拋光后使用EM-1000VP型顯微維氏硬度計測試硬度，試驗載荷300 g，保持時間10 s；對螺栓桿部取樣，采用ICP進行化學(xué)成分分析。

2 理化檢測

2.1 宏觀檢查

零件的外觀見圖1，斷裂位置發(fā)生在螺栓桿部的根部位置。斷口整體平坦，在螺桿的表面可見少量的剪切痕跡，斷口的多個位置可見磨損痕跡。斷口形貌及各區(qū)域位置分布見圖2，斷口顏色主要分為兩部分，其中，A區(qū)呈暗灰色，并伴有網(wǎng)狀污染物，對斷口清洗后，污染物的形貌及分布范圍沒有發(fā)生明顯變化；B區(qū)呈亮灰色，在顯微鏡下對螺栓斷口進行觀察，斷口特征不明顯。對螺栓斷口桿部進行觀察，局部區(qū)域有工作過程中殘留的膠狀物質(zhì)。

隨著國家深化教育綜合改革的不斷深入，國家努力確保教育經(jīng)費占GDP4%目標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，高校規(guī)?；l(fā)展和多校區(qū)協(xié)同管理運行，高校教學(xué)經(jīng)費、科研經(jīng)費等資金來源渠道的多元化，高校經(jīng)費資金數(shù)目的不斷增多，報賬困難的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，迫切需要探索一種方便高效的財務(wù)服務(wù)模式，來應(yīng)對新的挑戰(zhàn)，適應(yīng)學(xué)校內(nèi)涵式發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的需要，實現(xiàn)管理效益和經(jīng)濟效益雙贏的目標(biāo)。伴隨信息化進程的不斷推進，網(wǎng)絡(luò)智能化時代的來臨，高校網(wǎng)絡(luò)信息化平臺的建設(shè)加快進行，高校財務(wù)也隨著時代的要求不斷完善和發(fā)展財務(wù)信息化平臺，以求改善各方的協(xié)作關(guān)系，提高工作效率和管理能力。

圖1 螺栓零件外觀

圖2 斷口整體形貌

2.2 電鏡檢查

對螺栓斷口進行觀察，發(fā)現(xiàn)斷裂源區(qū)位于A區(qū)的螺栓表面，在源區(qū)可見“泥紋花樣”特征，寬度約為0.05 mm[圖3(a)]，在靠近源區(qū)表面的多個位置均可見大量的腐蝕產(chǎn)物[圖3(b)])。A區(qū)中部的斷口微觀形貌以沿晶特征為主，沿晶顆粒的晶面較為干凈[圖3(c)]，B區(qū)斷口為準(zhǔn)解理特征，其典型形貌見[圖3(d)]。零件正常位置的鍍鋅層形貌見圖4，鍍鋅層較為致密，放大后局部可見微裂紋，但在整個斷口上均未發(fā)現(xiàn)夾雜等材質(zhì)類缺陷。

圖3 螺栓斷口各位置的微觀特征

圖4 正常鍍鋅位置形貌

2.3 能譜分析

對斷口上泥紋花樣、腐蝕產(chǎn)物及正常鍍鋅位置進行能譜分析，結(jié)果見表1。

表1 能譜分析結(jié)果

2.4 金相檢查

腐蝕后觀察，兩試樣的金相組織均為回火索氏體(圖5)；腐蝕后的縱向試樣可見明顯的變形流線特征。按照GB/T 10561—2005進行非金屬夾雜物評級，該螺栓的非金屬夾雜物符合要求。

圖5 橫、縱向試樣金相組織形貌

2.5 顯微硬度檢查

顯微硬度檢查的結(jié)果見圖6，換算成HRC，橫向試樣的平均值為HRC45.1，縱向試樣的平均值為HRC43.6。

圖6 斷口不同部位的硬度

2.6 化學(xué)成分分析

對故障螺栓進行ICP成分分析，結(jié)果表明，螺栓的材質(zhì)符合GB/T 3077—1999的要求。

3 分析與討論

斷口宏觀可見黃褐色的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物呈網(wǎng)狀分布；電鏡觀察發(fā)現(xiàn)源區(qū)存在“泥紋花樣”特征，在源區(qū)附近的多個位置均發(fā)現(xiàn)有腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物含有O、Cl、K、Na等元素；泥紋花樣所在的斷口A區(qū)主要為沿晶開裂；以上特征均為典型的應(yīng)力腐蝕(SCC)開裂特征[8-10]?！澳嗉y花樣”寬度約為0.05 mm，對該區(qū)域進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)其Zn含量高達55.43wt%。這說明在鍍鋅工序之前，該位置存在原始微裂紋缺陷，導(dǎo)致在鍍鋅過程中發(fā)生“漏鋅”和腐蝕現(xiàn)象。

B區(qū)為瞬斷區(qū)，其斷口微觀形貌為準(zhǔn)解理特征，這也是一種脆性斷口特征。通常最后的瞬斷區(qū)為韌窩特征，但是由于材料存在回火脆性的影響，就有可能形成準(zhǔn)解理斷口；另外如果最后斷裂的應(yīng)力較大，時間極短，加上裂紋尖端應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，螺栓來不及在切應(yīng)力作用下發(fā)生屈服和塑性變形，在正應(yīng)力作用下也會發(fā)生瞬時脆斷，形成準(zhǔn)解理斷口，而高強度的零件更容易發(fā)生這種情況[11]。

通常情況下，金屬構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂必須同時滿足材料、環(huán)境和應(yīng)力三者的特定條件。螺栓原始缺陷裂紋位置存在應(yīng)力集中，在工作應(yīng)力的作用下，其裂紋尖端將開始擴展。新的金屬基體在外界環(huán)境中氯化物和硫化物的作用下，會形成微電池作用，使金屬基體形成正離子；同時，由于裂紋擴展尖端的溫度較高，將加快電化學(xué)反應(yīng)的速率和應(yīng)力腐蝕的傾向。在水和氧的作用下，主要生成氧化物和氫氧化合物，而氯離子、硫離子在腐蝕過程中與基體中的金屬元素作用生成氯化物和硫酸化合物，金屬氯化物和硫酸化合物又會發(fā)生水解作用，如：

其中金屬氫氧化物又易分解成氧化物，如：

而新生成的氯離子和硫酸根離子將繼續(xù)與金屬元素作用，形成循環(huán)腐蝕作用。

由于零件在鍍鋅前存在開口性缺陷，導(dǎo)致缺陷位置在鍍鋅過程中存在“泥紋花樣”的鍍鋅層，同時由于鍍鋅液也具有腐蝕性(鍍鋅液可為酸性液，也可以為堿性液)，在電流的作用下，勢必會對缺陷部位的晶界產(chǎn)生腐蝕作用，從而降低晶界強度，形成應(yīng)力集中。在試驗過程中，螺栓零件桿部表面的受力最大，由于原始缺陷的存在，降低了零件的抗拉強度，導(dǎo)致了裂紋的擴展，在這一過程中，斷口兩邊不斷擠壓磨損，形成了斷口上的磨損痕跡；同時在裂紋的擴展前沿，溫度較高，大氣中的腐蝕介質(zhì)如Cl、O及Na的進入，弱化了晶界，形成了沿晶斷口。當(dāng)裂紋擴展到一定程度后，剩余的部分不足以承受零件所屬的應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋進入快速失穩(wěn)擴展，形成了以準(zhǔn)解理特征為主的B區(qū)斷口。

金相檢查結(jié)果表明，零件的顯微組織為回火索氏體，非金屬夾雜物符合要求，斷口上也未見材質(zhì)類缺陷；這說明螺栓零件的材質(zhì)正常。有研究表明，42CrMo鋼存在回火脆性，零件的硬度值為HRC45.1，超過技術(shù)要求規(guī)定的HRC40～HRC44[12]，由此可以判定該零件在熱處理過程中存在輕微的回火脆性。

4 結(jié)論

(1)斷口微觀形貌以沿晶特征和準(zhǔn)解理特征為主；

(2)螺栓存在原始微裂紋缺陷，鍍鋅過程中缺陷位置出現(xiàn)“漏鋅”和腐蝕現(xiàn)象，由于工作應(yīng)力、應(yīng)力集中及外界環(huán)境中Cl、S和O等腐蝕介質(zhì)的共同作用，零件在缺陷位置發(fā)生了應(yīng)力腐蝕斷裂；

(3)斷裂螺栓的硬度值高于技術(shù)要求，存在輕微的回火脆性。

5 改進措施

嚴(yán)格防止帶裂紋的零件進入鍍鋅工序，可在零件進行鍍鋅前增加一道目視檢查工序或增加一道磁力探傷檢查工序，防止類似故障的發(fā)生。

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42CrMo Steel Bolt Failure Analysis

XIONG Yong1CHEN Changda1XIE Xiangyu2FANG Mingwei2CHEN Yan1

(1 Guizhou Liyang Aero-Engine Corporation,Guiyang 550000)(2 School of Mechanical Engineering, Guizhou University,Guiyang 550000)

When the missile launcher was carried out during the third test procedure, fracture occurred to the 40CrMo bolt. In this paper, investigations were performed by macroscopic examination, electron microscope observation, metallographic examination and chemical composition analysis in order to get the fracture property and the reason of the fracture. The results suggest that the property of fracture is stress corrosion, as well as the original micro-cracks in the bolt before galvanizing and lead to stress concentration. During the test, the existence of bending stress and atmospheric oxygen, such as sulfur, chlorine, sodium and other interaction, which result in fracture of the bolt. Furthermore, high hardness values and a slight temper brittleness can also have a certain effect on the bolt fracture.

Bolt，Stress corrosion，Stress concentration，Temper brittleness

2016-07-12；

2017-01-19

熊勇，1982年出生，高級工程師，主要研究方向：航空零部件的失效分析。E-mail： xylsj025@163.com

U213.5+2

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.03.016