高強(qiáng)度螺栓裂紋失效分析
12.9級(jí)M8內(nèi)六角圓柱螺栓，材料為40Cr，螺栓表面發(fā)黑涂油處理。螺栓用于固定工作臺(tái)，安裝扭矩為50N•m，安裝時(shí)在螺紋上涂有固定膠水，安裝5個(gè)月后斷裂。
螺栓安裝現(xiàn)場(chǎng)照片，見(jiàn)圖12.1；螺栓斷裂位于螺紋處的螺紋牙底，斷面銹蝕，螺紋部位有白色膠水殘留,螺栓斷裂殘件見(jiàn)圖12-2.
圖12-1 螺栓安裝現(xiàn)場(chǎng)照片 圖12-2 斷裂螺栓宏觀(guān)形貌
（1）對(duì)斷裂螺栓斷口掃描電鏡分析
斷口無(wú)明顯宏觀(guān)塑性變形，表面有銹蝕和放射性條紋，根據(jù)放射條紋走向可判斷起裂源位于螺栓邊緣，斷面掃描電鏡的宏觀(guān)形貌見(jiàn)圖12-3；斷口微觀(guān)形貌見(jiàn)圖12-4。
裂紋源處斷口微觀(guān)上為典型的冰糖狀沿晶斷口，晶面上有明顯的雞爪痕，存在晶間二次裂紋。
圖12-5所示為裂紋源外側(cè)螺紋面微觀(guān)形貌，可見(jiàn)表面部分區(qū)域表面氧化處理層已經(jīng)剝落，剝落處表面有針孔狀酸腐蝕。
圖12-6所示為斷面心部微觀(guān)形貌，為冰糖狀沿晶斷口，晶面上有大量雞爪痕痕跡。
圖12-7所示為斷口瞬斷區(qū)微觀(guān)形貌，為韌窩和沿晶混合斷口。
圖12-3 斷面宏觀(guān)形貌， 圖12-4 裂紋源處斷口微觀(guān)形貌
圖12-5 裂紋源外側(cè)螺紋面微觀(guān)形貌 圖12-6 斷面心部微觀(guān)形貌
圖12-7 瞬斷區(qū)微觀(guān)形貌
（2） 螺栓材質(zhì)成分分析
采用直讀光譜法對(duì)進(jìn)行化學(xué)成分分析，該螺栓材料為40Cr鋼
（3）氫含量測(cè)定
對(duì)斷裂殘件進(jìn)行氫含量測(cè)定，螺栓的氫含量較高，邊緣高于心部。心部氫含量：6.6 ppm；邊緣氫含量：9.5ppm。
（4）金相分析
將斷裂螺栓沿軸向剖開(kāi)制成金相試樣，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，其螺紋底部無(wú)折疊缺陷，牙頂有輕微折疊，表面碳勢(shì)正常，如圖12-8所示。
圖12-9 所示為螺栓心部組織，為回火索氏體和少量鐵素體。
圖12-8 螺紋處表層金相組織 圖12-9 螺栓心部金相組織
螺栓斷口無(wú)宏觀(guān)塑性變形，斷口微觀(guān)形貌以冰糖狀沿晶斷裂為主，晶面上有大量雞爪痕撕裂紋，為典型的氫脆斷口形貌；結(jié)合氫含量檢測(cè)可判定該螺栓斷裂性質(zhì)為氫致延遲斷裂。
氫脆斷裂是緊固件產(chǎn)品失效比較常見(jiàn)的形式，零件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力作用下導(dǎo)致的突發(fā)斷裂，具有極大的破壞性，它是由于氫滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致的損傷。
對(duì)斷裂殘件進(jìn)行氫含量測(cè)定，該螺栓材質(zhì)中氫含量較高，且邊緣高于心部，說(shuō)明已有大量氫滲入螺栓內(nèi)部。
對(duì)于12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，氫含量達(dá)到6ppm以上就有可能引發(fā)氫脆，而該螺栓氫含量已遠(yuǎn)高于氫脆敏感值。
影響氫脆的因素主要有：鋼的含碳量、顯微組織、鋼的強(qiáng)度及所受應(yīng)力等。鋼的強(qiáng)度越大，所受應(yīng)力越大則氫脆敏感性就越高，特別是12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，其氫脆敏感性遠(yuǎn)高于10.9級(jí)螺栓。
斷口附近螺紋面上局部氧化層剝落處可見(jiàn)針孔狀形貌，說(shuō)明螺栓曾被酸性介質(zhì)腐蝕，導(dǎo)致氫滲入其中，這是導(dǎo)致螺栓氫脆斷裂的根本原因。此外，通過(guò)分析還發(fā)現(xiàn)螺栓氫濃度較高，說(shuō)明螺栓經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間滲氫和氫擴(kuò)散過(guò)程。
根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：
(1) 螺栓的斷裂性質(zhì)是氫致延遲斷裂。
(2) 建議廠(chǎng)商及使用方追溯螺栓生產(chǎn)、使用流程，排查可能接觸酸性介質(zhì)的環(huán)節(jié)。
(3) 建議在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼螺栓避免接觸酸性介質(zhì)。
（4） 如果使用環(huán)境可能接觸酸性介質(zhì)，建議選用不銹鋼螺栓。
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