發(fā)動(dòng)機(jī)底座高強(qiáng)度六角頭螺栓斷裂的失效分析

王 會(huì)，張青春，梁世河，徐國(guó)平

（1.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，海鹽314300；2.海鹽海泰克標(biāo)準(zhǔn)件研發(fā)有限公司，海鹽314300）

0 引 言

某緊固件廠生產(chǎn)的一批規(guī)格為M12×30mm、性能等級(jí)為12.9級(jí)的六角頭螺栓，材料為42CrMo鋼，制造標(biāo)準(zhǔn)為GB／T 5782－2000，螺栓表面經(jīng)發(fā)黑處理，其制備工藝為盤(pán)條→球化退火→酸洗→磷化→皂化→冷拔→冷鐓成型→螺紋加工→清洗→熱處理→水洗→氧化（發(fā)黑）→水洗→浸防銹油。該螺栓為發(fā)動(dòng)機(jī)底座螺栓，在某發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝了8枚，安裝24h后發(fā)現(xiàn)有2只螺栓斷裂，由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)，雖然沒(méi)有造成發(fā)動(dòng)機(jī)部件嚴(yán)重受損，但也影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。為了防止螺栓斷裂的再次發(fā)生，作者對(duì)該螺栓的失效原因進(jìn)行了分析。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

由圖1可見(jiàn)，螺栓斷口平齊，無(wú)塑性變形，斷面與軸線(xiàn)垂直，為脆性斷口，在斷口附近無(wú)明顯的腐蝕痕跡。用線(xiàn)切割從試樣斷口處切取一塊試樣，先用酒精清洗，然后利用超聲波清洗機(jī)在丙酮溶液中清洗20min，再經(jīng)去離子水清洗后干燥，觀察該斷口的形貌，并分析其化學(xué)成分。以垂直于裂紋源斷面方向的側(cè)面作為金相試樣的端面，機(jī)械磨拋后再用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，觀察其顯微組織并測(cè)其硬度。

1.1 斷口宏觀形貌

采用Olympus SZ61型光學(xué)顯微鏡對(duì)螺栓的斷口形貌進(jìn)行觀察，由圖2可見(jiàn)，螺栓斷裂位置為螺紋部分，距螺紋末端約16mm；斷口平直，表面粗糙，斷口附近無(wú)宏觀塑性變形，整個(gè)斷面呈深灰色，其上可見(jiàn)多個(gè)銀白色亮區(qū)。

可將斷口分為三個(gè)區(qū)域：即沿螺紋牙根的斷口邊緣區(qū)，該部分顏色較暗，呈現(xiàn)一定的發(fā)散狀，屬于裂紋源區(qū)；斷口上向中心擴(kuò)展的部分為裂紋擴(kuò)展區(qū)，該區(qū)域呈灰白色，有一定的金屬光澤，有少量臺(tái)階，整體比較平坦，該區(qū)域面積較大，為快速斷裂區(qū)；斷口上月牙狀白亮部分比較粗糙，為最終瞬斷區(qū)，附近無(wú)縮頸及塑性變形跡象。全部斷口沿螺紋牙根形成，高低不平，臺(tái)階延伸較長(zhǎng)。

圖2 螺栓斷口的宏觀形貌Fig.2 Macrograph of fracture of bolt

1.2 斷口微觀形貌

采用S3400N型場(chǎng)發(fā)射掃描電子電鏡觀察斷口形貌。由圖3（a）可見(jiàn)，裂紋源區(qū)微觀形貌均為冰糖狀沿晶斷裂，斷面上存在大量的雞爪形撕裂棱，斷口平齊呈冰糖狀，沒(méi)有明顯的塑性變形跡象，說(shuō)明斷口呈現(xiàn)較強(qiáng)的脆性，斷口形貌屬于沿晶脆性開(kāi)裂，無(wú)微觀塑性變形特征，晶粒均勻細(xì)小。由圖3（b）可見(jiàn)，擴(kuò)展區(qū)形貌主要為沿晶和韌窩混合形貌，該區(qū)域形貌與裂紋源區(qū)大體相同，說(shuō)明裂紋源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)斷口處的組織相同，該區(qū)域未發(fā)現(xiàn)有明顯的非金屬夾雜物和氣孔等缺陷［1］。通過(guò)電鏡可觀察到斷面上有較多的細(xì)小發(fā)紋穿過(guò)晶界擴(kuò)展，且有較多的撕裂棱，這是氫脆斷口的典型微觀特征，擴(kuò)展區(qū)發(fā)現(xiàn)有類(lèi)似于準(zhǔn)解理斷裂的河流狀花樣，其斷裂機(jī)制也屬于解理斷裂，見(jiàn)圖3（c）。高倍下可見(jiàn)瞬斷區(qū)微觀形貌為剪切韌窩，見(jiàn)圖3（d）。

1.3 顯微組織

沿螺栓中心線(xiàn)縱向截取試樣，通過(guò)熱鑲嵌法制成金相試樣。采用4XC型光學(xué)顯微鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察。由圖4可見(jiàn)，螺栓各部分的組織完全相同，均為回火索氏體組織，為正常的平衡組織。螺栓表面有0.1mm深的滲碳層，說(shuō)明該螺栓的表面硬度較高。螺紋根部有一條直裂紋，裂紋沿晶開(kāi)裂，不分叉。

1.4 硬 度

采用TH300型硬度計(jì)對(duì)失效螺栓的螺紋根部、表面和心部進(jìn)行硬度測(cè)試，按GB／T 3098.1—2000要求進(jìn)行。螺栓表面硬度為518HV0.3，比心部硬度高約80HV0.3（心部要求硬度的范圍為385～435HV0.3），不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；而螺栓的心部硬度為434HV10，雖然符合要求，但是總體水平接近硬度上限，個(gè)別點(diǎn)超過(guò)硬度上限。表1為失效螺栓螺紋根部的硬度。

1.5 化學(xué)成分

利用直讀光譜儀對(duì)螺栓的化學(xué)成分進(jìn)行分析，由表2可見(jiàn)，失效螺栓的化學(xué)成分符合GB／T 3077－1999的規(guī)定。

表1 失效螺栓螺紋根部的硬度Tab.1 Hardness at the root of thread of failure bolts HV0.3

表2 失效螺栓的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of failure bolts（mass）%

1.6 氫含量

在螺栓螺紋段距離表面0～3mm的區(qū)域取樣，采用H－3000型定氫儀測(cè)定氫含量。結(jié)果顯示，失效螺栓試樣的氫含量為10mg·kg－1，而正常螺栓的氫含量應(yīng)小于3mg·kg－1，這說(shuō)明斷裂螺栓亞表層區(qū)域的氫含量較高。

2 斷裂原因分析

失效螺栓的組織為回火索氏體，螺栓斷口宏觀存在光亮區(qū)，微觀存在“雞爪狀”形貌，螺紋根部的沿晶裂紋不分叉，這些都是氫脆的典型特征。螺栓安裝后存放時(shí)受拉應(yīng)力作用，由于螺紋根部存在應(yīng)力集中，這就使得此處的受力狀況更加惡劣。

根據(jù)以上栓驗(yàn)結(jié)果，按照對(duì)氫脆斷裂失效的判據(jù)［2］，該12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓的失效應(yīng)屬于氫脆斷裂。首先，在各種不同的顯微組織中，對(duì)氫脆敏感性從大到小的一般順序?yàn)轳R氏體、上貝氏體（粗大貝氏體）、下貝氏體（細(xì)貝氏體）、索氏體、珠光體、奧氏體［3］，因而螺栓的索氏體組織是氫脆敏感組織。其次，強(qiáng)度大于1 200MPa時(shí)，材料中的氫含量在5～10mg·kg－1時(shí)即可導(dǎo)致氫脆［4］；根據(jù)硬度及氫含量的測(cè)試結(jié)果，推算其抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1 200MPa，亞表層氫含量為10mg·kg－1；正常情況下，該螺栓的抗拉強(qiáng)度為1 000MPa，表面硬度和心部硬度相當(dāng)，由于失效螺栓可能因熱處理不當(dāng)而導(dǎo)致強(qiáng)度過(guò)高，內(nèi)外硬度差異較大，從而對(duì)氫脆的敏感性增加。再次，螺栓受到的工作應(yīng)力主要是靜拉應(yīng)力，在螺紋根部存在應(yīng)力集中。最后，氫脆斷裂宏觀斷口表面清潔，無(wú)腐蝕產(chǎn)物，斷口平齊，有放射花樣［2］；氫脆微觀斷口為沿晶斷裂，晶粒輪廓鮮明，晶界上伴有變形線(xiàn)（發(fā)紋線(xiàn)或雞爪痕），二次裂紋較少，撕裂棱或韌窩較多，這些特征在失效螺栓上都能找到。

3 結(jié) 論

（1）該螺栓斷口是典型的氫脆斷口，主要是盤(pán)條在酸洗和冷鐓后的去脂酸洗過(guò)程吸收了一定量的氫，導(dǎo)致亞表層氫含量較高，引起了氫脆。

（2）建議減少該發(fā)黑緊固件的酸洗時(shí)間，通過(guò)對(duì)酸洗溶液濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制酸洗溶液濃度不超標(biāo)；對(duì)熱處理過(guò)程的溫度和保護(hù)氣氛嚴(yán)格控制，使產(chǎn)品的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行必要的去氫處理。

［1］HENRY G，HCRSTMANN D.宏觀斷口學(xué)及顯微斷口學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［2］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004：204－205.

［3］王永慶.30CrMnSiNi2A螺栓斷裂分析［J］.理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)，2000，36（10）：461－463.

［4］胡曉輝.3Cr13鋼彈簧片斷裂分析口［J］.理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)，2005，41（10）：515－517.