挖掘機(jī)履帶螺栓斷裂失效分析

劉海波， 王君， 徐鑫， 沈趙琴， 蔣達(dá)磊， 朱先華

（1.浙江國(guó)檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，浙江 海鹽314300；2.海鹽縣三地自來(lái)水有限公司，浙江 海鹽314300；3.嘉興市南湖區(qū)社會(huì)福利保障指導(dǎo)中心，浙江 嘉興314000）

0 引言

履帶式工程車輛中，履帶板是利用履帶螺栓固定在履帶鏈上，由左右驅(qū)動(dòng)輪實(shí)施驅(qū)動(dòng)。履帶螺栓將履帶板固定于履帶鏈上，是要求可靠性高的聯(lián)接件[1]。委托方提供六角凸緣履帶螺栓斷裂件1枚、同批次未使用完好件5枚，規(guī)格為M24×1.5×72，材質(zhì)為SCM435，性能等級(jí)為12.9級(jí)。螺栓制造工藝為：頭桿尾成型→熱前搓絲→調(diào)質(zhì)（脫磷、淬火、回火）→磁粉探傷→表面發(fā)黑→上防銹油→包裝。螺栓安裝轉(zhuǎn)矩為（1230±35）N·m，安裝到履帶板上后經(jīng)過(guò)清洗、浸漆、100 ℃烘干。烘干工序完成后，將履帶板安裝到挖掘機(jī)上時(shí)發(fā)生履帶螺栓掉頭失效，失效比例為0.01%，為偶發(fā)事件。筆者對(duì)送檢螺栓進(jìn)行失效分析，找出螺栓斷裂的原因。

1 理化檢測(cè)

1.1 斷口形貌分析

斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示，可見(jiàn)斷裂發(fā)生于頭桿連接處，試樣表面未發(fā)現(xiàn)明顯的擠壓磨損或銹蝕痕跡。圖2所示為失效螺栓斷口宏觀形貌，斷面平整，無(wú)明顯塑性變形痕跡，且存在輕微銹蝕現(xiàn)象。斷口左上方隱約可見(jiàn)放射狀條紋，收斂于斷口邊緣（箭頭所示）。將斷口分為A、B、C三個(gè)區(qū)域進(jìn)一步描述。圖3所示為斷面A區(qū)電鏡微觀形貌，可見(jiàn)靠近邊緣的斷面存在明顯的覆蓋物，而遠(yuǎn)離邊緣的斷面可見(jiàn)明顯的冰糖狀沿晶形貌，伴隨晶間二次裂紋，晶面存在雞爪形發(fā)紋。A區(qū)能譜元素分析如圖4所示，靠近邊緣的區(qū)域存在大量的氧元素及少量鈣、鉀、氯等元素，而遠(yuǎn)離邊緣的區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯的外來(lái)元素。圖5、圖6所示分別為B區(qū)和C區(qū)微觀形貌，為準(zhǔn)解理形貌+少量韌窩形貌。

1.2 化學(xué)成分檢測(cè)

對(duì)斷裂螺栓與完好螺栓分別進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果如表1所示，符合“JIS G4053-2008”標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。在斷裂螺栓裂紋起源區(qū)取樣，進(jìn)行氫含量測(cè)試，結(jié)果顯示，殘余氫含量為1.1×10-6。

圖1 送檢試樣宏觀形貌

圖2 螺栓斷口宏觀形貌

圖3 A區(qū)微觀形貌

圖4 A區(qū)能譜分析結(jié)果

圖5 B區(qū)微觀形貌

圖6 C區(qū)微觀形貌

表1 螺栓化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果%

1.3 金相組織分析

將失效螺栓斷裂頭部縱剖進(jìn)行金相分析。圖7所示為失效螺栓頭部縱截面金屬流線，可見(jiàn)頭部流線左右對(duì)稱、連續(xù)，且沿頭部外形分布，無(wú)異常。圖8所示為失效螺栓頭下圓角半徑測(cè)量結(jié)果，頭下圓角半徑為1.17 mm，符合GB/T 3105-2002標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)規(guī)格為M24螺栓的要求（≥0.8 mm）。圖9所示為失效螺栓斷裂起始區(qū)金相組織，斷裂發(fā)生于頭下圓角處，斷裂起始點(diǎn)距離支承面法向長(zhǎng)度為0.085 mm。斷裂起始區(qū)附近未發(fā)現(xiàn)明顯的折疊、裂紋等不連續(xù)性缺陷，頭下圓角表面未見(jiàn)明顯的脫碳、增碳現(xiàn)象。圖10所示為失效螺栓終斷區(qū)一側(cè)縱截面金相組織，可見(jiàn)距離支承面法向長(zhǎng)度為0.090 mm處存在一條明顯的擴(kuò)展中的微裂紋。圖11所示為微裂紋部位金相組織，可見(jiàn)裂紋起始于頭下圓角表面，起裂處表面存在厚度約10 μm的白亮層，經(jīng)能譜分析（如圖12），白亮層中存在1%左右的P元素，P元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于螺栓材料的上限值（≤0.030%），因此推斷該亮白層為熱處理前局部磷化膜未去除干凈引起的滲磷層。圖13所示為靠近白亮層的基體能譜分析結(jié)果，可見(jiàn)基體含有0.3%左右的P，明顯高于螺栓材料的上限值（≤0.030%）。微裂紋前半段呈穿晶形式，后半段呈沿晶形式擴(kuò)展，裂紋內(nèi)部存在明顯的填充物，經(jīng)能譜分析（如圖14），可見(jiàn)除基體元素外，填充物主要成分為大量氧元素、少量鎂、氯、鉀、鈣等元素，與斷面覆蓋物化學(xué)成分相似。

圖7 失效螺栓頭部金屬流線

圖8 失效螺栓頭下圓角半徑

圖9 斷裂起始區(qū)金相組織

圖10 終斷區(qū)一側(cè)金相組織

圖11 微裂紋金相組織

圖13 靠近白亮層的基體能譜分析

圖12 表面白亮層能譜分析結(jié)果

1.4 力學(xué)性能檢測(cè)

送檢螺栓力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如表2所示，所檢項(xiàng)目均符合GB/T 3098.1-2010標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)12.9級(jí)螺栓的要求。經(jīng)計(jì)算可知，完好螺栓抗拉強(qiáng)度為1481 MPa，符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求（≥1220 MPa）。在斷裂螺栓頭下圓角表面進(jìn)行硬度梯度檢測(cè)，結(jié)果如表3所示，可見(jiàn)硬度均勻，表面無(wú)明顯增碳現(xiàn)象。

表2 送檢螺栓力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

2 綜合分析

送檢螺栓頭部金屬流線、頭下圓角尺寸、表面缺陷、金相組織、化學(xué)成分等指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)異常。委托方提供信息顯示，送檢螺栓先安裝于履帶板上，將履帶板裝機(jī)時(shí)發(fā)生螺栓掉頭，因此螺栓安裝后僅受軸向力作用，且呈現(xiàn)延時(shí)斷裂特征。斷口低倍形貌顯示，斷面無(wú)明顯塑性變形，并可見(jiàn)放射狀條紋，條紋收斂于斷口邊緣，說(shuō)明斷裂起始于螺栓頭下圓角表面。斷口電鏡形貌顯示，晶粒輪廓鮮明呈冰糖塊狀，晶面上存在大量的雞爪形撕裂棱等，均為氫致開(kāi)裂的重要特征，所以失效螺栓斷裂的性質(zhì)為氫脆斷裂[2]。所謂氫脆斷裂，就是氫滲入金屬材料內(nèi)部后，造成材料損傷，使材料在低于材料屈服強(qiáng)度的靜應(yīng)力作用下發(fā)生的延遲斷裂[3]。影響螺栓氫脆斷裂的主要因素有：氫的存在和作用，一定的強(qiáng)度和硬度，足夠的拉應(yīng)力作用及回火不充分的組織等。一般情況下，螺栓氫含量越高、強(qiáng)度和硬度越高、承受的應(yīng)力作用越大，則越容易引起氫脆斷裂的發(fā)生。

本案例中，送檢螺栓性能等級(jí)為12.9級(jí)，硬度達(dá)到400 HV以上（通常零件的硬度大于320 HV時(shí)就有氫脆傾向）。但螺栓表面無(wú)增碳現(xiàn)象，且基體殘留氫含量?jī)H為1.1×10-6，因此送檢螺栓本身氫脆敏感性較低。金相組織顯示，斷裂起始點(diǎn)距離支承面法向長(zhǎng)度為0.085 mm，而終斷區(qū)頭下圓角存在一條呈沿晶擴(kuò)展的微裂紋，距離支承面法向長(zhǎng)度為0.090 mm，與斷裂起始點(diǎn)位置基本一致。因此有理由懷疑該微裂紋即為斷裂起始裂紋。微裂紋起始處存在深度為10 μm的滲磷層，說(shuō)明熱處理前螺栓表面的磷化膜未去除干凈，同時(shí)靠近滲磷層的基體的P含量明顯高于常見(jiàn)鋼材的上限值。一般情況下磷視為有害元素，磷的晶界偏聚將會(huì)極大地降低晶界結(jié)合力及鋼低溫韌性，從而導(dǎo)致鋼產(chǎn)生低溫脆性現(xiàn)象，俗稱鋼的冷脆性[4]。鋼中磷會(huì)增加鋼的回火脆性、敏感性和引起冷脆，與合金元素一起共偏聚會(huì)加劇高溫回火脆性。同時(shí)磷對(duì)沖擊韌性危害很大[5]。由于螺栓頭下圓角表面形成滲磷層，近表面基體磷含量增加，引起該處表面脆性顯著增大，導(dǎo)致安裝過(guò)程中產(chǎn)生微裂紋。由于氫脆失效是在氫和應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的，存在多個(gè)影響因素，只有在各個(gè)影響因素的綜合作用超過(guò)一定臨界值時(shí)才會(huì)發(fā)生斷裂。螺栓頭下圓角為應(yīng)力集中區(qū)域，微裂紋加劇了應(yīng)力集中狀態(tài)，同時(shí)磷元素過(guò)高，易引發(fā)氫致裂紋[5]，促進(jìn)了氫致裂紋的形成與擴(kuò)展，最終表現(xiàn)為氫脆斷裂。

表3 斷裂螺栓頭下圓角硬度梯度檢測(cè)結(jié)果

金相組織顯示，終斷區(qū)一側(cè)微裂紋內(nèi)部存在填充物，經(jīng)能譜分析，填充物化學(xué)成分與斷裂起始區(qū)覆蓋物相似，可能為同一種物質(zhì)。該覆蓋物為斷裂后黏附于斷口的可能性不大，結(jié)合安裝工藝，推斷浸漆工序前該螺栓頭下圓角已經(jīng)發(fā)生開(kāi)裂，油漆滲入裂紋并沉積于裂紋斷面。與前文分析微裂紋產(chǎn)生于安裝過(guò)程的結(jié)論相吻合。

3 結(jié)論

1）送檢螺栓失效模式為氫脆斷裂，引起螺栓發(fā)生氫脆斷裂的主要原因是頭下圓角表面存在因滲磷層導(dǎo)致的安裝微裂紋；

2）“GB/T 3098.1-2010 緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱”標(biāo)準(zhǔn)中表2注解h規(guī)定“12.9級(jí)表面不允許有金相能測(cè)出的白色磷化物聚集層，去除磷化物聚集層應(yīng)在熱處理前進(jìn)行”。國(guó)標(biāo)明確規(guī)定12.9級(jí)螺栓應(yīng)在熱處理前去除磷化層。但在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)，經(jīng)常會(huì)接到生產(chǎn)業(yè)者咨詢，內(nèi)容都是關(guān)于如果磷化層未去除會(huì)對(duì)緊固件產(chǎn)生多大的影響。一方面生產(chǎn)業(yè)者可能對(duì)國(guó)標(biāo)理解不充分，另一方面可能存在僥幸心理，認(rèn)為表面薄薄的一層磷化聚集層并不會(huì)對(duì)緊固件性能產(chǎn)生明顯的不良影響。在本案例中，送檢螺栓各項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是由于頭下圓角表面存在深度僅為幾十微米的磷化聚集層，牽一發(fā)而動(dòng)全身，最終導(dǎo)致發(fā)生螺栓斷裂、履帶板脫落的事故。“千里之堤毀于蟻穴”，對(duì)于緊固件這類重要的承力連接件，一旦失效斷裂，很容易發(fā)生安全事故，切不可心存僥幸心理。