M10高强度螺栓开裂原因分析

M10高强度螺栓开裂原因分析

陈孝程

中石化长输油气管道检测有限公司 江苏徐州 221008

摘要：公司使用的M10等级为12.9的高强度螺栓，在使用过程中出现开裂。该螺栓材料为35CrMo，调质处理后发现表面发黑，硬度要求为39~44HRC。现对螺栓的开裂原因进行理化分析，主要目的是提高产品质量，避免此类问题再次发生。

关键词：螺栓；开裂；化学分析；力学性能；夹杂物

1 理化分析

1.1 断口形貌宏观分析

图1为螺栓开裂位置图，从图中可以看出开裂位置位于螺栓的螺纹段。图2为部分开裂的螺栓，从图中可以看出螺栓开裂的位置不同，但均处于螺纹段，且在螺纹根部开裂。图3为开裂螺栓形成的断口图，从图中可以看出断口与螺栓轴线基本垂直，断口表面无明显塑性变形，属宏观脆性断裂。断口分为两部分，其中A区域较平整，其上可以观察到放射线，根据放射线特征，可判断该断口的裂纹源为A区域的螺纹根部，裂纹源产生后裂纹想内扩展的同时，裂纹源在螺纹根部沿逆时针方向扩展，断裂面上升；裂纹源在螺纹根部沿顺时针方向扩展，断裂面下降；最后两断裂面在B区域相遇，形成凸凹不平的区域，故断口表面B区域起伏较大，为最后断裂区。

图1 螺栓开裂位置图

图2 部分开裂螺栓图

A

B

图3 螺栓断口图

1.2 化学成分测试

检测人员利用移动式直读光谱仪进行检测，首先在螺栓中心部位取样，取样过程确保样品均匀、无气孔、夹渣、开裂等现象，清除样品表面的回火色和氧化层，去除表面油污、锈蚀，样品表面应有一部分是平整的（大于8cm²），用于火花探针压紧。利用50#有氧化铝或金刚砂砂纸进行磨平，制备符合检测要求试样，按照GB/T4336-2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》要求，进行光谱化学成分测试（光谱激发点错开裂纹等缺陷处），测试C、Si、Mn、S、P、Ni、Cr、Mo等元素，结果见表1。参照GB/T3077-2015《合金结构钢》，从表中可以看出该螺栓成分满足规定要求，其中碳含量达到了规定成分的上限，锰和硫超出规定成分上限。

表1 材料成分化验结果

1.3 硬度测试

检测人员用洛氏硬度计对35CrMo高强度螺栓进行硬度测试，首先按照GB/T230.1-2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》准备试样，采用冷加工方式制备试样以保影响最小，试样表面光滑平坦，无氧化皮、外来污物及油脂，试样厚度30mm,测试结果见表2。从表中可以看出，螺栓平均硬度符合标准要求，但在1^#螺栓边缘的硬度测试值稍高于硬度标准的上限值。

表2 硬度测试结果

1.4 力学性能测试

在同批次螺栓中随机选取部分螺栓进行力学性能测试，先使用公司微机控制电液伺服万能材料试验机，型号HUT605A测试，严格按照GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》要求及设备操作规程拉伸试验，表3给出了该批次螺栓的机械性能拉伸测试数据，从表中可以看出，该检测的螺栓抗拉强度全部符合GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》标准要求。

表3 螺栓机械性能拉伸测试结果

按照GB/T3098.13-1996《紧固件机械性能 螺栓与螺钉的扭矩试验和破坏扭矩公称直径1～10mm》标准要求，利用扭力装置进行扭断力矩试验，螺栓头部和螺纹不得有摩擦影响试验结果，将螺栓插入试验夹具中，至少有两扣完整螺纹，同时夹具和螺栓之间至少留出一个螺栓直径的长度，然后夹紧，连续、平稳施加扭矩，测定其扭断力矩。表4同批次螺栓扭断力矩的试验结果，从表中可以看出该批次螺栓的扭断力矩均高于标准最小破断扭矩。

表4 螺栓扭断力矩试验结果

1.5 夹杂物及金相组织观察

按照GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》要求将断裂后的螺栓沿轴线剖开，以冷加工方式截取试样，试样截取时应避免截取方法对组织影响。用酒精清洗试样表面的污物，经磨平、洗净、吹干的试样，在剖面用180^#、500^#、1000^#、1500^#、2000^#依次磨光，砂纸平铺在平的玻璃板上，每换一次砂纸时，试样必须旋转90︒与旧磨痕成垂直方向，在此方向磨制旧磨痕完全消失，新磨痕完全均匀一致为止方可进行机械抛光后进行抛光，移到装有呢绒的抛光机上粗抛，加入氧化铝抛光剂，抛2min～5min,用水洗净吹干。移至装有丝绒的抛光盘进行精抛光，保持抛光盘湿度，表面水膜在2s～s蒸发消失为宜。抛光后用水冲洗，再用无水乙醇洗净吹干，表面不得有水渍和污物。图4为抛光后螺纹根部的加工质量及夹杂物图，从图4中可以看出螺纹根部圆弧较平滑，无加工不良现象；同时螺纹根部基本观察不到夹杂物，符合标准要求。图5为螺纹根部的金相组织图，按照GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对其金相组织进行观察。从图5中可以看出其金相组织为回火索氏体。

图4 螺纹根部夹杂物及螺纹加工质量图

图5螺纹根部金相组织图

按上述相同方法进行夹渣物和组织检测，将断裂后的螺栓沿垂直于轴线方向截断，图6为抛光后螺栓芯部的夹杂物观察图，从图中可以看出螺栓芯部基本观察不到夹杂物，符合GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》标准要求。图7为螺栓芯部的金相组织图，从图中可以看出其金相组织为回火索氏体。

图6螺栓芯部夹杂物图

图7 螺纹芯部金相组织图

1.6螺栓断口微观形貌分析

将螺栓断口用无水乙醇在超声波中清洗10min后，借用扫描电镜对其形貌进行观察。图8和图9为螺栓断口裂纹源区的扫描电镜图，从图中可以看出该处断口的微观特征为解理断裂，晶粒轮廓鲜明，晶界面上布满细小条状的撕裂棱，可以观察到氢脆断裂留下的“鸡爪痕”形貌和二次裂纹。图10和图11为螺栓断口最后断裂区的扫描电镜图，从图中可以看出该处断口的微观特征为微孔聚集性断裂，断口表面布满断裂形成的韧窝，由于此区域高低起伏较大，故扫面电镜照片只能放大到400倍。

图8 螺栓裂纹源处低倍SEM图

图9 螺栓裂纹源处高倍SEM图

图10 螺栓最后断裂处低倍SEM图

图11 螺栓最后断裂处高倍SEM图

2 分析讨论

M10高强度螺栓的断裂属于宏观脆性断裂，根据断口宏观特征可知断裂起源于螺纹根部，然后沿螺纹根部扩展，顺时针扩展断裂面沿螺纹根部上升；逆时针扩展断裂面沿螺纹根部下降，嘴周在裂纹源的对立面相遇，两个断裂面相差一个螺纹的间距，所以最后断裂区起伏较大。

根据测试结果可知，该高强度螺栓成分、硬度测试、断裂强度及扭转性能测试均符合标准要求。螺栓断口裂纹源区微观性质为解理，晶粒轮廓鲜明，晶界面上布满细小条状的撕裂棱，可以观察到氢脆断裂留下的“鸡爪痕”形貌和二次裂纹；断裂部位位于螺纹根部，存在明显的应力集中。该螺栓在工作过程中主要受静拉应力，且为延迟断裂，因此该螺栓的断裂性质为氢致脆性断裂。至于氢是原材料中引入还是后续处理中引入，需要对螺栓表面部分和芯部区域的材料进行氢含量测试来确定。

3 结论与建议

1) 高强度螺栓材料成分、硬度、抗拉强度及扭转性能测试均符合标准要求；

2)高强度螺栓断裂属宏观脆性断裂，断口与轴线垂直，裂纹源区在螺纹根部，断口沿螺纹根部扩展最终导致断裂；

3）高强度螺栓断裂的微观性质为解理断裂，根据微观形貌特征可以推断为氢脆断裂，断裂的主要原因是螺纹根部的应力集中导致材料中残存的氢聚集最终导致螺栓发生断裂；

4）后续研究需对螺栓表面区域和芯部区域材料的含氢量进行测试，确定氢的来源。

参考文献：

[1] 杨含，冀妮。胶接绝缘钢轨用10.9级高强度螺栓断裂分析.理化检验-物理分册，2012,48卷（12）

[2] GB/T10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定-标准评级图显微检验法[S]

[3] 廖景娱，刘正义。金属构件失效分析[M] 北京：化学工业出版社，2010

[4] 江利，孙智，吴玉萍. 现代金属材料[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2000

[5] 唐汝钧， 机械工程材料测试手册（物理金相卷）[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1999:799-801

1