金屬緊固螺栓發生氫脆斷的原因分析

姜 琛

（日照市產品質量監督檢驗所，山東 日照 276800）

金屬被廣泛的應用于機械制造業中，經過一定的調質處理后，其就能具有良好的綜合力學性能、低溫沖擊韌性以及低的缺口敏感性。金屬緊固螺栓的加工過程主要包括：球化退火、酸洗磷皂化、改拔、下料、絲坯、調質處理、磷化以及包裝入庫等步驟。金屬緊固螺栓在工作過程中會長期處于受力的狀態之中，進而對其緊固性能受到不同程度的影響，甚至導致其發生斷裂。為了有效避免金屬緊固螺栓斷裂情況的發生，就需要對其氫脆斷裂的原因進行系統全面的分析，并采取有效的改善措施，確保金屬緊固螺栓始終處于良好的工作狀態之中，進而能夠提供穩定的緊固性能。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

螺栓斷口截面的起始位置與其軸向相垂直，隨著斷口裂縫的不斷延伸其斷面呈現出逐漸向下傾斜的趨勢，并且發現斷口不存在明顯的塑性變形痕跡。通過觀察斷口的外觀，還發現斷口表面的大部分區域呈現出一定的亮灰色，小部分區域發現有棕褐色氧化物的沉淀。通過對斷裂處進行有效的宏觀分析可知，螺栓的斷裂源區位于外部，其斷裂是由外向內進行的。裂紋在螺栓的斷裂面上，由源區呈放射狀向螺栓的內部延伸，進而可以將斷裂面劃分為3個不同的區域，即斷裂源區、擴展區以及最終斷裂區，這三種區域按照斷裂的規律組合形成整個斷裂面。

1.2 化學成分分析

在螺栓的斷裂處按照檢驗要求，采集一定量的樣本，運用光譜儀對樣品的化學組成進行有效的檢測。本文中所使用的光譜儀為美國的Leeman Prodigy XP全譜直讀ICP發射光譜儀，該儀器具有較高的檢測精度，能夠滿足樣品化學成分的檢測要求，螺栓的化學成分符合國家相關標準對金屬成分的技術要求，可以初步確定螺栓斷裂的發生與其化學成分關系不大。

1.3 金相檢驗

在螺栓的斷裂處選取一定量的樣品進行金相檢驗，進而確定螺栓的金相情況。通過對樣品進行一定的磨制和拋光處理后，采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡對其進行系統全面的金相分析，并且按照國家標準GB/T 10561-2005對樣品之中的非金屬雜質進行科學合理的評定，其測量結果如下：A0，B0，C0，D1.0，DS0，由此可見螺栓中的非金屬雜質含量較低，其雜質含量符合國家相關標準規范的要求。將螺栓試樣浸泡在體積分數為4%的硝酸酒精溶液之中，經過一定的侵蝕處理后，通過金相顯微鏡觀察試樣，發現螺栓樣品的顯微組織為回火索氏體，如圖1所示，并沒有發現其他的異常組織。

圖1 斷裂螺栓顯微組織形貌圖

1.4 硬度測試

螺栓硬度的測量是按照國標GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》進行的，在距螺紋末端一倍直徑的位置處，選取一個適合的測量截面。用砂紙對測量面進行一定的磨平處理，再用酒精擦洗測量面，用以去除表面的污垢，進而確保測量面符合硬度測量的要求。在1/2半徑處測定螺栓截面的維氏硬度，在測量過程中的試驗載荷為98N，整個測量嚴格按照標準GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》進行，其測量結果顯示螺栓截面硬度的實測值均在要求的范圍之內，滿足相應國家標準的要求。

1.5 掃描電鏡斷口分析

在對螺栓斷口進行電鏡掃描前，需要對其進行一定的預處理，進而為測量結果的精度提供可靠保障。運用丙酮溶液對螺栓斷口進行全面的超聲波清洗，進而去除螺栓斷面的污漬，再用毛刷對斷面進行二次清洗，用以去除截面殘留的頑固污漬，清洗完成后，將螺栓放入FEIQUANTA600掃描電鏡內，對其斷口進行觀察，螺栓斷口源區主要表現為冰糖狀沿晶斷裂特征，并且其斷面還被空氣所氧化。擴展區的斷口主要表現為復合型的斷裂特征，其斷口形貌主要是由沿晶和韌窩兩種外形組成，在擴展區斷口的沿晶面上具有大量的雞爪形撕裂棱。斷口最終斷裂區的微觀形貌看出最終斷裂區表現為剪切唇區，其斷口特征為剪切韌窩，并且整個斷口不存在明顯的冶金缺陷。

2 分析與討論

通過對斷裂螺栓進行系統全面的理化檢驗，發現螺栓斷口具有明顯的氫脆斷裂特征，而測量的螺栓試樣中氫的質量分數僅為0.00015%，而對于高強螺栓而言，即使其中的氫含量低于0.0001%，也有可能發生氫脆斷裂。在螺栓實際的工作過程中，還會受到外界環境的不良影響，導致其中的氫含量逐漸升高，這就為氫脆斷裂的發生提供了物質基礎。對于螺栓而言，其氫的來源主要有以下3個：①由于長時間處于濕度較高的工作環境之中，水中的氫元素就會逐漸滲入到螺栓之中；②對螺栓進行酸洗和電鍍的處理過程中，螺栓會受到氫元素的侵入；③熔煉過程并沒有將其中的氫元素進行有效的去除，而殘留在螺栓之中。

3 結語

總而言之，金屬緊固螺栓在使用過程中會長期處于高應力的狀態之中，而螺栓之中的氫元素會逐漸向應力集中的位置進行遷移，當螺栓中的氫含量達到一定值，就會導致氫脆斷裂的發生。為了有效避免螺栓氫脆斷裂的發生，要結合螺栓工作應力的要求，優選適宜的材料，選用合理的加工工藝，并采取嚴格的預防措施，進而對螺栓中的氫含量進行有效控制，避免其超標。