發動機底座高強度六角頭螺栓斷裂的失效分析

王 會，張青春，梁世河，徐國平

（1.國家標準件產品質量監督檢驗中心，海鹽314300；2.海鹽海泰克標準件研發有限公司，海鹽314300）

0 引 言

某緊固件廠生產的一批規格為M12×30mm、性能等級為12.9級的六角頭螺栓，材料為42CrMo鋼，制造標準為GB／T 5782－2000，螺栓表面經發黑處理，其制備工藝為盤條→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（發黑）→水洗→浸防銹油。該螺栓為發動機底座螺栓，在某發動機上安裝了8枚，安裝24h后發現有2只螺栓斷裂，由于發現及時，雖然沒有造成發動機部件嚴重受損，但也影響了發動機的正常工作。為了防止螺栓斷裂的再次發生，作者對該螺栓的失效原因進行了分析。

1 理化檢驗與結果

由圖1可見，螺栓斷口平齊，無塑性變形，斷面與軸線垂直，為脆性斷口，在斷口附近無明顯的腐蝕痕跡。用線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在丙酮溶液中清洗20min，再經去離子水清洗后干燥，觀察該斷口的形貌，并分析其化學成分。以垂直于裂紋源斷面方向的側面作為金相試樣的端面，機械磨拋后再用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，觀察其顯微組織并測其硬度。

1.1 斷口宏觀形貌

采用Olympus SZ61型光學顯微鏡對螺栓的斷口形貌進行觀察，由圖2可見，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，斷口附近無宏觀塑性變形，整個斷面呈深灰色，其上可見多個銀白色亮區。

可將斷口分為三個區域：即沿螺紋牙根的斷口邊緣區，該部分顏色較暗，呈現一定的發散狀，屬于裂紋源區；斷口上向中心擴展的部分為裂紋擴展區，該區域呈灰白色，有一定的金屬光澤，有少量臺階，整體比較平坦，該區域面積較大，為快速斷裂區；斷口上月牙狀白亮部分比較粗糙，為最終瞬斷區，附近無縮頸及塑性變形跡象。全部斷口沿螺紋牙根形成，高低不平，臺階延伸較長。

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型場發射掃描電子電鏡觀察斷口形貌。由圖3（a）可見，裂紋源區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，沒有明顯的塑性變形跡象，說明斷口呈現較強的脆性，斷口形貌屬于沿晶脆性開裂，無微觀塑性變形特征，晶粒均勻細小。由圖3（b）可見，擴展區形貌主要為沿晶和韌窩混合形貌，該區域形貌與裂紋源區大體相同，說明裂紋源區與擴展區斷口處的組織相同，該區域未發現有明顯的非金屬夾雜物和氣孔等缺陷［1］。通過電鏡可觀察到斷面上有較多的細小發紋穿過晶界擴展，且有較多的撕裂棱，這是氫脆斷口的典型微觀特征，擴展區發現有類似于準解理斷裂的河流狀花樣，其斷裂機制也屬于解理斷裂，見圖3（c）。高倍下可見瞬斷區微觀形貌為剪切韌窩，見圖3（d）。

1.3 顯微組織

沿螺栓中心線縱向截取試樣，通過熱鑲嵌法制成金相試樣。采用4XC型光學顯微鏡對顯微組織進行觀察。由圖4可見，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，裂紋沿晶開裂，不分叉。

1.4 硬 度

采用TH300型硬度計對失效螺栓的螺紋根部、表面和心部進行硬度測試，按GB／T 3098.1—2000要求進行。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），不符合標準要求；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，個別點超過硬度上限。表1為失效螺栓螺紋根部的硬度。

1.5 化學成分

利用直讀光譜儀對螺栓的化學成分進行分析，由表2可見，失效螺栓的化學成分符合GB／T 3077－1999的規定。

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 失效螺栓的化學成分（質量分數）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的區域取樣，采用H－3000型定氫儀測定氫含量。結果顯示，失效螺栓試樣的氫含量為10mg·kg－1，而正常螺栓的氫含量應小于3mg·kg－1，這說明斷裂螺栓亞表層區域的氫含量較高。

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，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。螺栓安裝后存放時受拉應力作用，由于螺紋根部存在應力集中，這就使得此處的受力狀況更加惡劣。

根據以上栓驗結果，按照對氫脆斷裂失效的判據［2］，該12.9級高強度螺栓的失效應屬于氫脆斷裂。首先，在各種不同的顯微組織中，對氫脆敏感性從大到小的一般順序為馬氏體、上貝氏體（粗大貝氏體）、下貝氏體（細貝氏體）、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，強度大于1 200MPa時，材料中的氫含量在5～10mg·kg－1時即可導致氫脆［4］；根據硬度及氫含量的測試結果，推算其抗拉強度達到了1 200MPa，亞表層氫含量為10mg·kg－1；正常情況下，該螺栓的抗拉強度為1 000MPa，表面硬度和心部硬度相當，由于失效螺栓可能因熱處理不當而導致強度過高，內外硬度差異較大，從而對氫脆的敏感性增加。再次，螺栓受到的工作應力主要是靜拉應力，在螺紋根部存在應力集中。最后，氫脆斷裂宏觀斷口表面清潔，無腐蝕產物，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（發紋線或雞爪痕），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 論

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

（2）建議減少該發黑緊固件的酸洗時間，通過對酸洗溶液濃度實時監測，控制酸洗溶液濃度不超標；對熱處理過程的溫度和保護氣氛嚴格控制，使產品的力學性能符合標準規定，并對產品進行必要的去氫處理。

［1］HENRY G，HCRSTMANN D.宏觀斷口學及顯微斷口學［M］.北京：機械工業出版社，1990.

［2］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京：國防工業出版社，2004：204－205.

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

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