12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓斷裂失效分析

李 珍，周海生，郭垚峰

鴻富錦精密電子(鄭州)有限公司，河南 鄭州 450000

12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓斷裂失效分析

李 珍，周海生，郭垚峰

鴻富錦精密電子(鄭州)有限公司，河南 鄭州 450000

12.9級(jí)高強(qiáng)度車用減速器35CrMo鋼螺栓發(fā)生早期斷裂失效．通過(guò)對(duì)其宏觀觀察、微觀斷口分析、金相組織、硬度測(cè)試及成分分析等，對(duì)螺栓斷裂原因進(jìn)行分析，找出其失效之根本原因，并提出解決方案．研究結(jié)果表明:螺栓的失效原因是在其使用前期就存在微裂紋，造成應(yīng)力集中，在一定應(yīng)力作用下使微裂紋繼續(xù)開(kāi)裂長(zhǎng)大，最終斷裂；螺栓斷口具有氫脆斷裂的典型特征，說(shuō)明螺栓發(fā)生了氫脆延遲斷裂．

高強(qiáng)度螺栓；微裂紋；氫脆；延遲斷裂

螺栓也叫螺釘，是工業(yè)生產(chǎn)制造中和日常生活中必不可少的零配件，所以螺栓也被稱為工業(yè)之米，螺栓的應(yīng)用較為廣泛，例如電子產(chǎn)品、機(jī)械產(chǎn)品、水利工程，甚至化學(xué)實(shí)驗(yàn)上也用到螺栓．大多數(shù)交通工具，如飛機(jī)、電車、汽車等為大小螺栓并用，螺栓在工業(yè)上肩負(fù)重要任務(wù)，只要地球上存在著工業(yè)，則螺栓之功能永遠(yuǎn)重要，故螺栓失效問(wèn)題也會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失及安全隱患．

某廠生產(chǎn)的減速器在整車行駛10 km后發(fā)生故障，開(kāi)箱確認(rèn)為減速器螺栓發(fā)生早期失效斷裂導(dǎo)致．失效螺栓為12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，材質(zhì)為35CrMo，硬度(HRC)為39～44，熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理，表面處理工藝為磷化發(fā)黑處理．為找到螺絲斷裂原因并規(guī)避后期風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)該批次失效螺栓進(jìn)行一系列理化檢測(cè)，通過(guò)對(duì)其宏觀觀察、微觀斷口分析、金相組織、硬度測(cè)試及成分分析等，最終確定了螺栓的斷裂性質(zhì)，找出了該螺栓失效之根本原因．

1 試驗(yàn)部分

選取斷口完整的失效螺栓一套，用風(fēng)槍把斷口表面臟污吹干凈．使用VHX-600E型3D光學(xué)顯微鏡觀察其宏觀斷口形貌，并對(duì)其進(jìn)行初步判斷；使用THERMO-Nicolet 6700型號(hào)的傅利葉變換紅外光譜儀，進(jìn)行表面有機(jī)物成分分析；使用HITACHI-SU1510型掃描電子顯微鏡對(duì)螺栓斷口進(jìn)行微觀形貌分析，判斷斷裂類型；利用ZEISS-Imager.A2m型金相顯微鏡，對(duì)螺栓靠近斷裂位置的基材進(jìn)行夾雜物及金相組織分析；利用德國(guó)SPECTRO-MAXx型號(hào)的火花原子放射光譜儀，對(duì)基材的化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定；使用TJ6H-6M型快速測(cè)氫儀，測(cè)定螺絲的氫含量；用日本MITUTOYO維氏硬度計(jì)，測(cè)量斷口區(qū)域的顯微硬度．

2 分析與討論

2.1 宏觀形貌

圖1為斷裂螺栓宏觀形貌．從圖1(a)可見(jiàn)，螺栓斷裂位置位于螺栓頭與螺栓桿交界的臺(tái)階處，螺栓表面磷化層覆蓋完整，表面未見(jiàn)明顯的損傷等外部缺陷．取螺桿斷面于光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)(圖1(b))，螺栓斷口比較平齊，無(wú)明顯塑性變形特征，斷面帶有放射性圖樣，裂紋源位于螺栓邊緣處且裂紋源與擴(kuò)展區(qū)均有褐色的異物存在．這是由于在減速器上裝配前，螺栓表面會(huì)涂一層緊固膠，來(lái)達(dá)到螺栓與螺紋孔貼合緊密的效果．

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌(a)斷裂螺栓照片，6X；(b) 斷口宏觀形貌，20XFig.1 Appearance observation of failure bolt(a)picture of failure bolt，6X；(b) appearance observation of fracture surface，20X

取螺栓斷口表面異物與螺栓表面緊固膠進(jìn)行紅外光譜(FT-IR)分析(圖2)發(fā)現(xiàn)，螺栓斷口表面的異物與螺栓表面的緊固膠成分一致，均為環(huán)氧樹(shù)脂，說(shuō)明微裂紋在緊固膠固化前已萌生，致使緊固膠沿微裂紋進(jìn)入螺栓斷口．

圖2 螺栓斷口表面異物有機(jī)成分分析Fig.2 Organic composition analysis of bolt fracture surface

2.2 斷口微觀分析

對(duì)螺栓斷口SEM微觀形貌(圖3)觀察發(fā)現(xiàn)，其裂紋源區(qū)無(wú)明顯的冶金及加工缺陷．從圖3(a)可見(jiàn)，裂紋源為沿晶斷裂，其微觀形貌呈冰糖狀，并且存在一些二次裂紋，晶面上可觀察到少量微孔及大量雞爪紋，為典型的氫脆斷裂特征；從圖3(b)可見(jiàn)，裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌為韌窩及準(zhǔn)解理形貌；從圖3(c)可見(jiàn)，斷口瞬斷區(qū)可觀察到許多細(xì)小的剪切韌窩，為韌性斷裂．對(duì)斷口的成分進(jìn)行能譜分析，表明斷口表面無(wú)明顯夾雜物、氧化等異常．

2.3 金相組織分析

在螺栓斷口附近選取金相試樣，經(jīng)鑲樣、研磨及拋光后，用金相顯微鏡進(jìn)行非金屬夾雜物含量評(píng)定．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基體夾雜物為D類，級(jí)別為1.0級(jí)．用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精浸蝕試樣后觀察基材的金相組織(圖4)發(fā)現(xiàn)，螺栓基體組織為正常的回火索氏體，組織較均勻、無(wú)明顯組織偏析．

圖3 螺栓斷口微觀形貌(a) 裂紋源區(qū)；(b) 擴(kuò)展區(qū)；(c) 瞬斷區(qū)Fig.3 Microscopic characteristics of failure bolt(a) crack source area；(b) propagation area；(c) instantaneous fracture area

圖4 斷裂螺栓金相組織 Fig.4 Metallographic microstructure of failure blot

斷裂螺栓的金相組織、化學(xué)成分及材質(zhì)顯微硬度，均符合技術(shù)規(guī)格要求，說(shuō)明螺栓的斷裂與材質(zhì)本身及熱處理工藝無(wú)關(guān)．?dāng)嗔崖菟〝嗫诒容^平齊，無(wú)明顯塑性變形特征，斷面帶有放射性圖樣，斷口裂紋源微觀形貌呈冰糖狀且存在二次裂紋，晶面上可觀察到少量微孔與大量雞爪紋，具有氫脆斷裂的典型特征．

金屬材料因受到氫氣的作用而引起的脆性斷裂，統(tǒng)稱為氫脆或氫致開(kāi)裂．氫脆的重要條件是材料中存在一定量的氫，其特征之一就是斷裂具有延遲性．在低于屈服應(yīng)力的低應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)一段孕育期或潛伏期后，金屬材料內(nèi)部逐漸形成氫裂紋，最后突然發(fā)生脆性斷裂[1]．氫脆的產(chǎn)生對(duì)螺栓來(lái)說(shuō)是致命的缺陷．

該螺栓在生產(chǎn)過(guò)程中的酸洗及磷化會(huì)引入一定量的氫原子，螺栓工作中主要受拉應(yīng)力及震動(dòng)應(yīng)力，且螺栓的斷裂表現(xiàn)為延遲特征．由此可知，在應(yīng)力和氫原子的共同作用下首先形成微裂紋，進(jìn)而氫原子向螺栓內(nèi)的微裂紋尖端移動(dòng)及富集，氫原子使裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子下降，促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展，最終使微裂紋開(kāi)裂長(zhǎng)大[2]．根據(jù)失效螺栓的特征判定，其斷裂性質(zhì)為氫脆延遲斷裂，這是因?yàn)闅湓訒?huì)導(dǎo)致金屬韌性降低.根據(jù)氫的來(lái)源，氫脆可分為內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆，前者指在鋼生產(chǎn)過(guò)程中帶入的氫，后者指在鋼的使用過(guò)程中與含氫介質(zhì)相互作用引入的氫[3]．該失效螺栓存在酸洗和磷化工序，酸洗液和磷化液均呈酸性，螺栓會(huì)從中吸收一定量的氫原子，使螺栓的含氫濃度變高，這種因素會(huì)加劇螺栓開(kāi)裂的傾向．氫含量為百萬(wàn)分之幾就可能導(dǎo)致超高強(qiáng)度鋼發(fā)生氫脆[4]，在該斷裂螺栓件中測(cè)得的氫含量足以使其發(fā)生氫脆斷裂．

通常高強(qiáng)度的材料比強(qiáng)度等級(jí)低的材料氫脆敏感性大，裂紋擴(kuò)展速度也大[5]．螺栓在固定汽車減速器時(shí)，會(huì)在一定拉應(yīng)力及震動(dòng)壓力下服役，螺栓基材中的氫原子會(huì)向應(yīng)力集中的部位聚集，而螺栓頭與螺柱交界的臺(tái)階處正是應(yīng)力集中的高危區(qū)域，該位置經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的孕育，氫濃度達(dá)到臨界值時(shí)，在應(yīng)力和氫原子共同作用下螺栓首先在敏感處開(kāi)裂．這時(shí)缺口尖端強(qiáng)度因子雖高，但局部氫濃度減低，隨即氫原子又向該高應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的孕育后，在裂紋尖端再次出現(xiàn)臨界狀態(tài)，于是發(fā)生二次開(kāi)裂[6]．微裂紋持續(xù)擴(kuò)展，當(dāng)螺栓的實(shí)際承載面積小于理論要求的承載面積時(shí)[7]，螺栓就發(fā)生斷裂．

3 結(jié) 論

該螺栓的斷裂是氫和應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的氫脆延遲斷裂．造成氫脆斷裂的原因是酸洗和磷化過(guò)程中螺栓吸收了一定量的氫，使基材的氫含量過(guò)高．建議磷化處理后螺栓應(yīng)及時(shí)進(jìn)行去氫處理，嚴(yán)格按照除氫工藝中規(guī)定的時(shí)間及溫度進(jìn)行處理．

[1] 李忠吉，褚武揚(yáng)，高克瑋，等．氫促進(jìn)位錯(cuò)發(fā)射和裂紋擴(kuò)展的三維分子動(dòng)力學(xué)模擬[J]．自然科學(xué)進(jìn)展，2002(9) ：1001-1004．

[2] 周順深．鋼脆性和工程結(jié)構(gòu)脆性斷裂[M]．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1982：209-220．

[3] 唐文忠．35CrMo鋼螺栓斷裂原因分析[J]．金屬制品，2015，41(4):62-64．

[4] 吳建國(guó)．氫氣對(duì)金屬材料之影響[J]．材料導(dǎo)報(bào),2004,18(18)：119-120．

[5] 金蔚靜．雙頭螺栓失效分析[J]．理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2003，39(5):268-270．

[6] 盧洪．高強(qiáng)度螺栓斷裂失效分析[J]．福建工程學(xué)院學(xué)報(bào),2009,7(4)：341-343．

[7] 呂英臣，郭合理，沈志軍，等．錄井鋼絲的失效分析[J]．金屬制品，2010，36(3)：69-72．

Fracture analysis of 12.9 high strength bolt

LI Zhen，ZHOU Haisheng，GUO Yaofeng

HongFujinPrecisionElectronics(Zhengzhou)Co.，Ltd.，Zhengzhou450000，China

12.9 grade high strength bolt of 35CrMo steel for car reducer occurred fracture failure. Through macroscopic observation, fracture analysis, chemical composition analysis, metallographic microstructure and hardness test, the crack reason of the bolt and the solution is put forward. The results show that the failure of the bolt is due to the existence of microcracks in the early stage of its use, resulting in stress concentration, and microcracks continue to crack and propagation under certain stress. The fracture surface had the feature of hydrogen embrittlement fracture, indicating that the bolt has occurred hydrogen embrittlement delayed fracture.

high strength bolt; micro-crack; hydrogen embrittlement; delayed fracture

2017-04-20

李珍(1986-)，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士，工程師．

1673-9981(2017)02-0128-04

TG178

A