42CrMo鋼六角頭螺栓熱鍍鋅裂紋分析

趙全育，梁嘉俊，陳旭鵬，童 波，夏國華，嚴(yán) 琴，丁志敏

(1. 飛沃新能源科技股份有限公司，湖南 常德 415701； 2. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

六角頭螺栓作為一種常用的緊固件，是緊固件中主要的受力件。它的工作環(huán)境復(fù)雜，有直接暴露在設(shè)備外部的，有在構(gòu)件內(nèi)部的，還有長期在振動環(huán)境下工作的。在正常連續(xù)工作情況下，緊固六角頭螺栓要求必須保證15年及以上使用壽命。螺栓上微小裂紋的不利影響會在后續(xù)復(fù)雜的工作環(huán)境中被放大，輕則減少螺栓的服役壽命，重則造成螺栓的突然斷裂。因此，對于六角頭螺栓加工過程中缺陷的監(jiān)測和控制就顯得十分重要，它和螺栓的使用性能密切相關(guān)。

42CrMo鋼六角頭螺栓具有很高的強(qiáng)度和韌性，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有很好的耐疲勞和耐沖擊性能，在汽車、風(fēng)電、航空航天等行業(yè)用途廣泛[1]，其加工工藝流程為：下料→熱鐓成型→機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)處理→熱鍍鋅→ 理化檢測→包裝出廠。熱鍍鋅工藝是在熱鍍鋅溫度下，將工件和調(diào)配好的鋅液分別與外接直流電源的正負(fù)極相連，通電后，鋅液中的鋅離子在電位差作用下運(yùn)動到工件表面被還原形成鋅鍍層。熱鍍鋅形成的鋅層厚度較厚(可達(dá)10 μm以上)，而且鋅層表面還會在大氣中被氧化成致密的氧化鋅層，從而起到保護(hù)作用。工件經(jīng)熱鍍鋅工藝處理后，耐蝕性能以及耐磨性能得到提高，表面變得光亮美觀。某公司在生產(chǎn)一批42CrMo鋼六角頭螺栓時，在熱鍍鋅工藝完成后的磁粉探傷時發(fā)現(xiàn)在一部分螺栓的圓角處存在微小裂紋，該螺栓強(qiáng)度為10.9級，螺紋規(guī)格為M64 mm，熱鍍鋅工藝流程為：噴丸除銹→鍍前處理→熱鍍鋅→冷卻→鍍后處理，熱鍍鋅溫度為400～450 ℃[2]。本文通過對開裂螺栓進(jìn)行斷口、顯微組織和成分分析，判斷裂紋的類型，找出裂紋產(chǎn)生的原因。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)對象為兩個圓角處存在裂紋的42CrMo鋼六角頭螺栓，基本尺寸如圖1(a)所示，化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求，裂紋位置如圖1(b)中箭頭所示。對其中一個螺栓的螺桿表面施加垂直于軸向的壓應(yīng)力，使螺栓沿圓角處斷裂，隨后采用線切割制得一個螺栓原始斷口樣品，記作1號樣品；在另外一個螺栓的圓角裂紋部位處取樣，觀測面垂直于螺栓桿面和端面，經(jīng)鑲嵌、磨拋、用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，制得兩個金相樣品，分別記作2號和3號樣品。

圖1 失效螺栓尺寸(a)及裂紋位置(b)Fig.1 Size diagram(a) and crack location(b) of the failed bolt

采用直接觀察法對1號樣品進(jìn)行斷口宏觀形貌分析，然后用JSM-IT200(BU)掃描電鏡進(jìn)行斷口微觀形貌分析，并在斷口1/2半徑處用鉆粉機(jī)制取粉末50 mg，采用燃燒法測定斷口的氫元素含量。采用LEICA DM4M光學(xué)顯微鏡對2號和3號樣品進(jìn)行顯微組織分析，然后用能譜儀(EDS)分析裂紋內(nèi)部的元素組成。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 斷口宏觀形貌

開裂螺栓經(jīng)破斷后斷口的宏觀形貌如圖2(a)所示，沿橫線線切割制得1號樣品，其斷口宏觀形貌如圖2(b)所示。從圖2(b)可以看出，靠近裂紋源區(qū)斷口平直，有放射花樣，無明顯塑性變形，符合脆性斷口特征[3]；斷口心部粗糙，存在少量纖維區(qū)、有明顯塑性變形。宏觀上總體來看，整個斷口干凈、無腐蝕痕跡并呈現(xiàn)深灰色，斷口大部分都沒有明顯塑性變形。

圖2 失效螺栓破斷后的斷口照片(a)和1號樣品的斷口宏觀形貌(b)Fig.2 Photo of the failure bolt after breaking(a) and the fracture macro morphology of specimen 1(b)

2.2 斷口微觀形貌

1號樣品斷口的微觀形貌如圖3所示。圖3(a,b)為距離鍍鋅層1 mm處，靠近裂紋源區(qū)位置的斷口形貌，低倍下可見斷口為冰糖狀形貌[4]，在80倍下可見斷口大部分呈沿晶斷裂，少部分呈穿晶斷裂，晶面光滑平整，無明顯腐蝕痕跡，在800倍下局部晶面上可見雞爪痕，晶粒間輪廓清晰且存在少量晶間二次裂紋，在2000倍下可以看到少量線狀氣孔，斷口為典型的氫脆斷口形貌[5-7]。圖3(c, d)分別為裂紋擴(kuò)展區(qū)與纖維區(qū)交界處的斷口形貌，可見此處為冰糖狀+韌窩狀混合型斷口，晶間界限不清晰，且晶間存在少量顯微孔洞。微觀上總體來看，斷口形貌主要為沿晶氫脆斷口形貌，沿晶斷口面積占整個斷口面積的70%以上。

圖3 1號樣品斷口的微觀形貌(a,b)裂紋源區(qū)；(c,d)裂紋擴(kuò)展區(qū)Fig.3 Micromorphologies of the fracture of specimen 1(a,b) crack source region; (c,d) crack propagation zone

圖4 2號樣品(a～d)和3號樣品(e, f)裂紋的顯微形貌Fig.4 Micromorphologies of the cracks of specimen 2(a-d) and specimen 3(e, f)

2.3 顯微組織

2號、3號樣品裂紋及其附近的顯微組織如圖4所示。圖4(a)為2號樣品裂紋的整體形貌，可見裂紋深度很深，約2 mm，裂紋呈現(xiàn)斷續(xù)曲折的鋸齒狀。圖4(b, c)分別為裂紋根部和尖端的顯微形貌，測得鍍鋅層厚度大約為75 μm，主裂紋有沿晶粒擴(kuò)展的現(xiàn)象，同時伴有沿晶粒發(fā)展的細(xì)小二次裂紋，裂紋尖端圓潤。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]，常見的淬火裂紋形貌為：裂紋附近幾乎無脫碳現(xiàn)象；裂紋內(nèi)部有氧化現(xiàn)象；裂紋走向平直、走勢剛勁有力；幾乎不存在二次裂紋；裂紋尖端尖細(xì)。由此可知，2號樣品的裂紋并不符合淬火裂紋形貌，可排除裂紋是在淬火時產(chǎn)生的。圖4(d)為裂紋附近的顯微組織形貌，可見組織為均勻分布的回火索氏體+鐵素體，是正常的調(diào)質(zhì)處理后的組織，由此可排除2號樣品的裂紋是由于組織異常引起的開裂[10]。圖4(e, f)分別為3號樣品裂紋根部和尖端的顯微形貌，可見裂紋之間有白色物質(zhì)，裂紋呈現(xiàn)跳躍式前進(jìn)的特征，即裂紋在尖端非常細(xì)小，且尖端有連接合并的趨勢。

2.4 元素成分

用能譜儀(EDS)對3號樣品裂紋處的白色區(qū)域進(jìn)行成分分析，如圖5所示，可見Zn含量遠(yuǎn)高于其他元素，表明裂紋內(nèi)白色區(qū)域的主要元素為Zn，說明氫脆裂紋是在熱鍍鋅過程中產(chǎn)生，裂紋內(nèi)部的白色區(qū)域?yàn)榱鸭y產(chǎn)生后鋅液流入所致。參照GB/T 223.82—2018《鋼鐵氫含量的測定 惰性氣體熔融-熱導(dǎo)或紅外法》，在失效螺栓裂紋附近取樣并進(jìn)行氫含量測定，測定結(jié)果顯示，失效樣品斷口附近氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4×10-6。而高強(qiáng)度鋼制零件在一般情況下，含氫量在1×10-7～4×10-6時就容易產(chǎn)生氫脆裂紋，當(dāng)氫含量高于1×10-7時，沒有外部應(yīng)力的作用也會出現(xiàn)裂紋。此螺栓為10.9級高強(qiáng)度螺栓，氫脆敏感性高，氫含量已高于該標(biāo)準(zhǔn)，很容易發(fā)生氫致開裂[11]。再結(jié)合之前的斷口形貌和顯微組織分析，可以確定開裂形式為氫致開裂。

圖5 3號樣品裂紋內(nèi)白色區(qū)域的顯微形貌(a)及能譜分析結(jié)果(b)Fig.5 Micromorphology(a) and EDS analysis result(b) of the white zone at the crack of the specimen 3

2.5 裂紋形成機(jī)理

42CrMo鋼六角頭螺栓在熱鍍鋅工藝開始前，由于螺栓圓角處組織結(jié)構(gòu)較其他部位更加復(fù)雜，經(jīng)熱處理后圓角處的殘余應(yīng)力會高于螺栓其他部分[12]。在熱鍍鋅開始加熱時，熱鍍鋅時添加的助鍍劑(主要成分為氯化鋅和氯化銨的水溶液)中的氫離子首先被電解還原成氫原子被螺栓表面吸附，隨后這些氫原子沿晶界迅速向內(nèi)擴(kuò)散，由于圓角處晶界密度較其他部位高，就會造成氫原子在此處的大量富集。在之后的熱鍍鋅過程中，圓角處大量的氫原子結(jié)合成氫分子使得圓角晶界處會承受巨大的氫壓，螺栓圓角在強(qiáng)烈的氫壓以及較高的殘余應(yīng)力疊加作用下，當(dāng)圓角處應(yīng)力達(dá)到臨界斷裂應(yīng)力時，就會發(fā)生氫致開裂[13]。

3 結(jié)論

1) 開裂42CrMo鋼六角頭螺栓裂紋附近的組織為回火索氏體+鐵素體，屬于正常的調(diào)質(zhì)態(tài)組織，排除裂紋是由于組織異常而產(chǎn)生。裂紋形貌不符合淬火裂紋形貌特征，排除裂紋是在淬火冷卻過程中產(chǎn)生。

2) 由于裂紋附近氫含量偏高，且斷口形貌和裂紋特征均符合氫致開裂的特征，可以確定開裂42CrMo鋼六角頭螺栓裂紋為氫脆裂紋，裂紋內(nèi)部的鋅液為裂紋產(chǎn)生后流入所致。