42CrMo鋼六角頭螺栓熱鍍鋅裂紋分析

趙全育，梁嘉俊，陳旭鵬，童 波，夏國華，嚴 琴，丁志敏

(1. 飛沃新能源科技股份有限公司，湖南 常德 415701； 2. 中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

六角頭螺栓作為一種常用的緊固件，是緊固件中主要的受力件。它的工作環境復雜，有直接暴露在設備外部的，有在構件內部的，還有長期在振動環境下工作的。在正常連續工作情況下，緊固六角頭螺栓要求必須保證15年及以上使用壽命。螺栓上微小裂紋的不利影響會在后續復雜的工作環境中被放大，輕則減少螺栓的服役壽命，重則造成螺栓的突然斷裂。因此，對于六角頭螺栓加工過程中缺陷的監測和控制就顯得十分重要，它和螺栓的使用性能密切相關。

42CrMo鋼六角頭螺栓具有很高的強度和韌性，經調質處理后具有很好的耐疲勞和耐沖擊性能，在汽車、風電、航空航天等行業用途廣泛[1]，其加工工藝流程為：下料→熱鐓成型→機械加工→調質處理→熱鍍鋅→ 理化檢測→包裝出廠。熱鍍鋅工藝是在熱鍍鋅溫度下，將工件和調配好的鋅液分別與外接直流電源的正負極相連，通電后，鋅液中的鋅離子在電位差作用下運動到工件表面被還原形成鋅鍍層。熱鍍鋅形成的鋅層厚度較厚(可達10 μm以上)，而且鋅層表面還會在大氣中被氧化成致密的氧化鋅層，從而起到保護作用。工件經熱鍍鋅工藝處理后，耐蝕性能以及耐磨性能得到提高，表面變得光亮美觀。某公司在生產一批42CrMo鋼六角頭螺栓時，在熱鍍鋅工藝完成后的磁粉探傷時發現在一部分螺栓的圓角處存在微小裂紋，該螺栓強度為10.9級，螺紋規格為M64 mm，熱鍍鋅工藝流程為：噴丸除銹→鍍前處理→熱鍍鋅→冷卻→鍍后處理，熱鍍鋅溫度為400～450 ℃[2]。本文通過對開裂螺栓進行斷口、顯微組織和成分分析，判斷裂紋的類型，找出裂紋產生的原因。

1 試驗材料與方法

試驗對象為兩個圓角處存在裂紋的42CrMo鋼六角頭螺栓，基本尺寸如圖1(a)所示，化學成分符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》要求，裂紋位置如圖1(b)中箭頭所示。對其中一個螺栓的螺桿表面施加垂直于軸向的壓應力，使螺栓沿圓角處斷裂，隨后采用線切割制得一個螺栓原始斷口樣品，記作1號樣品；在另外一個螺栓的圓角裂紋部位處取樣，觀測面垂直于螺栓桿面和端面，經鑲嵌、磨拋、用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，制得兩個金相樣品，分別記作2號和3號樣品。

圖1 失效螺栓尺寸(a)及裂紋位置(b)Fig.1 Size diagram(a) and crack location(b) of the failed bolt

采用直接觀察法對1號樣品進行斷口宏觀形貌分析，然后用JSM-IT200(BU)掃描電鏡進行斷口微觀形貌分析，并在斷口1/2半徑處用鉆粉機制取粉末50 mg，采用燃燒法測定斷口的氫元素含量。采用LEICA DM4M光學顯微鏡對2號和3號樣品進行顯微組織分析，然后用能譜儀(EDS)分析裂紋內部的元素組成。

2 試驗結果及討論

2.1 斷口宏觀形貌

開裂螺栓經破斷后斷口的宏觀形貌如圖2(a)所示，沿橫線線切割制得1號樣品，其斷口宏觀形貌如圖2(b)所示。從圖2(b)可以看出，靠近裂紋源區斷口平直，有放射花樣，無明顯塑性變形，符合脆性斷口特征[3]；斷口心部粗糙，存在少量纖維區、有明顯塑性變形。宏觀上總體來看，整個斷口干凈、無腐蝕痕跡并呈現深灰色，斷口大部分都沒有明顯塑性變形。

圖2 失效螺栓破斷后的斷口照片(a)和1號樣品的斷口宏觀形貌(b)Fig.2 Photo of the failure bolt after breaking(a) and the fracture macro morphology of specimen 1(b)

2.2 斷口微觀形貌

1號樣品斷口的微觀形貌如圖3所示。圖3(a,b)為距離鍍鋅層1 mm處，靠近裂紋源區位置的斷口形貌，低倍下可見斷口為冰糖狀形貌[4]，在80倍下可見斷口大部分呈沿晶斷裂，少部分呈穿晶斷裂，晶面光滑平整，無明顯腐蝕痕跡，在800倍下局部晶面上可見雞爪痕，晶粒間輪廓清晰且存在少量晶間二次裂紋，在2000倍下可以看到少量線狀氣孔，斷口為典型的氫脆斷口形貌[5-7]。圖3(c, d)分別為裂紋擴展區與纖維區交界處的斷口形貌，可見此處為冰糖狀+韌窩狀混合型斷口，晶間界限不清晰，且晶間存在少量顯微孔洞。微觀上總體來看，斷口形貌主要為沿晶氫脆斷口形貌，沿晶斷口面積占整個斷口面積的70%以上。

圖3 1號樣品斷口的微觀形貌(a,b)裂紋源區；(c,d)裂紋擴展區Fig.3 Micromorphologies of the fracture of specimen 1(a,b) crack source region; (c,d) crack propagation zone

圖4 2號樣品(a～d)和3號樣品(e, f)裂紋的顯微形貌Fig.4 Micromorphologies of the cracks of specimen 2(a-d) and specimen 3(e, f)

2.3 顯微組織

2號、3號樣品裂紋及其附近的顯微組織如圖4所示。圖4(a)為2號樣品裂紋的整體形貌，可見裂紋深度很深，約2 mm，裂紋呈現斷續曲折的鋸齒狀。圖4(b, c)分別為裂紋根部和尖端的顯微形貌，測得鍍鋅層厚度大約為75 μm，主裂紋有沿晶粒擴展的現象，同時伴有沿晶粒發展的細小二次裂紋，裂紋尖端圓潤。根據相關文獻[8-9]，常見的淬火裂紋形貌為：裂紋附近幾乎無脫碳現象；裂紋內部有氧化現象；裂紋走向平直、走勢剛勁有力；幾乎不存在二次裂紋；裂紋尖端尖細。由此可知，2號樣品的裂紋并不符合淬火裂紋形貌，可排除裂紋是在淬火時產生的。圖4(d)為裂紋附近的顯微組織形貌，可見組織為均勻分布的回火索氏體+鐵素體，是正常的調質處理后的組織，由此可排除2號樣品的裂紋是由于組織異常引起的開裂[10]。圖4(e, f)分別為3號樣品裂紋根部和尖端的顯微形貌，可見裂紋之間有白色物質，裂紋呈現跳躍式前進的特征，即裂紋在尖端非常細小，且尖端有連接合并的趨勢。

2.4 元素成分

用能譜儀(EDS)對3號樣品裂紋處的白色區域進行成分分析，如圖5所示，可見Zn含量遠高于其他元素，表明裂紋內白色區域的主要元素為Zn，說明氫脆裂紋是在熱鍍鋅過程中產生，裂紋內部的白色區域為裂紋產生后鋅液流入所致。參照GB/T 223.82—2018《鋼鐵氫含量的測定 惰性氣體熔融-熱導或紅外法》，在失效螺栓裂紋附近取樣并進行氫含量測定，測定結果顯示，失效樣品斷口附近氫元素的質量分數為4×10-6。而高強度鋼制零件在一般情況下，含氫量在1×10-7～4×10-6時就容易產生氫脆裂紋，當氫含量高于1×10-7時，沒有外部應力的作用也會出現裂紋。此螺栓為10.9級高強度螺栓，氫脆敏感性高，氫含量已高于該標準，很容易發生氫致開裂[11]。再結合之前的斷口形貌和顯微組織分析，可以確定開裂形式為氫致開裂。

圖5 3號樣品裂紋內白色區域的顯微形貌(a)及能譜分析結果(b)Fig.5 Micromorphology(a) and EDS analysis result(b) of the white zone at the crack of the specimen 3

2.5 裂紋形成機理

42CrMo鋼六角頭螺栓在熱鍍鋅工藝開始前，由于螺栓圓角處組織結構較其他部位更加復雜，經熱處理后圓角處的殘余應力會高于螺栓其他部分[12]。在熱鍍鋅開始加熱時，熱鍍鋅時添加的助鍍劑(主要成分為氯化鋅和氯化銨的水溶液)中的氫離子首先被電解還原成氫原子被螺栓表面吸附，隨后這些氫原子沿晶界迅速向內擴散，由于圓角處晶界密度較其他部位高，就會造成氫原子在此處的大量富集。在之后的熱鍍鋅過程中，圓角處大量的氫原子結合成氫分子使得圓角晶界處會承受巨大的氫壓，螺栓圓角在強烈的氫壓以及較高的殘余應力疊加作用下，當圓角處應力達到臨界斷裂應力時，就會發生氫致開裂[13]。

3 結論

1) 開裂42CrMo鋼六角頭螺栓裂紋附近的組織為回火索氏體+鐵素體，屬于正常的調質態組織，排除裂紋是由于組織異常而產生。裂紋形貌不符合淬火裂紋形貌特征，排除裂紋是在淬火冷卻過程中產生。

2) 由于裂紋附近氫含量偏高，且斷口形貌和裂紋特征均符合氫致開裂的特征，可以確定開裂42CrMo鋼六角頭螺栓裂紋為氫脆裂紋，裂紋內部的鋅液為裂紋產生后流入所致。