紧固螺栓断裂分析

紧固螺栓断裂分析

李崇斌           

中车大连机车车辆有限公司质量保证部计量理化室      辽宁省大连市116021

摘 要：  通过螺栓断口宏微观形貌检测、电镜检测、金相检测、机械性能分析、化学成分分析手段，综合分析紧固螺栓断裂性质，并分析断裂失效的原因，结果表明失效的原因可能有两点：一是酸洗过程氢进入金属内部导致氢脆；二是高温回火时导致材料出现高温回火脆性，其中发生氢脆的可能性较大。

关键词： 螺栓；氢脆；合金结构钢；高温回火脆性

1前言

发蓝处理，是将钢在空气中加热或者直接浸泡在浓氧化性溶液中，使其表面产生极薄的氧化物膜的材料保护技术。发蓝处理在酸洗过程中，酸洗液中酸分解后会产生H-，H-成为吸附在钢铁表面的H原子,由于H原子具有最小的原子半径，容易在钢等金属中扩散,部分H原子越过金属表面，并扩散进入金属的晶格,在应力集中处或缺陷处富集,聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹被称为氢脆。氢脆敏感性与材料强度密切相关,氢脆断裂的临界应力极限随着材料强度的升高而急剧下降。这是因为金属晶体中位错、晶界、沉淀相等氢积聚点多,在酸洗、电镀过程中易于吸H,基体内应力较大。一般认为,抗拉强度低于1 GPa的合金钢一般不发生氢脆。

合金结构钢在450～600℃之间出现的回火脆性称高温回火脆性。出现这种回火脆性时，钢的冲击韧性降低，脆性转折温度升高，但抗拉强度和塑性并不改变，对许多物理性能也不产生影响。引起高温回火脆性的杂质元素有P、S、B、Sn、Sb、As等。但当钢中不含Ni、Cr、Mn、Si等合金元素时杂质元素的存在不会引起高温回火脆性。但当杂质元素含量一定时，Ni、Cr、Mn、Si元素含量愈多，脆化就愈严重。当两种以上元素同时存在时，脆化作用就更大。高温回火脆性的脆化速度和脆化程度均与回火温度和回火时间密切相关。温度一定时，随回火时间延长，脆化程度增大。在550℃以下，回火温度愈低，脆化速度就愈慢，但能达到的脆化程度也愈大。

材质为18Cr2Ni4WA的内燃机车轴箱紧固螺栓，在机车运行过程中发生断裂，紧固螺栓的制造工艺流程为：备料-墩方头-正火+高温回火-抛丸-调质-车端面-车外圆与螺纹-钻孔-去毛刺、锐棱倒钝-探伤-发蓝处理。为分析断裂原因，将断裂的紧固螺栓进行检测。

2试验方法

2.1宏观检测

断裂的紧固螺栓宏观形貌及断口形貌如图1、2所示，对紧固螺栓断口进行清洗后观察断口形貌，紧固螺栓断裂位置均位于螺牙底部。紧固螺栓材料没有明显的塑性变形，可以观察到断口整体凹凸不平，断口部分区域呈现光亮的细 瓷状，断口表面存在一定程度锈蚀，裂纹源周向分布在螺牙底部的表面，裂纹由边缘向心部扩展，紧固螺栓断裂模式为脆性断裂。

2.2电镜检测

对螺栓断口进行扫描电镜微观检测，观察紧固螺栓的裂纹源区和终断区。紧固螺栓裂纹源区为沿晶断裂形貌如图3所示，裂纹源区属于脆性断裂。终断区呈现韧窝+解理形貌如图4所示，最终断裂为韧脆混合断裂。

2.3金相检测

在紧固螺栓断口处取样，分析观察螺栓的螺牙、牙顶与牙底处，未发现明显缺陷，未发生脱碳如图5所示。裂纹源位置的金相组织，其显微组织为回火索氏体，裂纹源处未见明显非金属夹杂与冶金缺陷，断口上可以观察到沿晶扩展的裂纹如图6所示。在紧固螺栓上截取金相试样，进行非金属夹杂物和金相组织检测，螺栓金相组织为回火索氏体。非金属夹杂物级别为：A细系1.0、D细系0.5。符合GB/T 3077-2015《合金结构钢》中高级优质钢的要求

2.4机械性能分析

在紧固螺栓上截取机械性能和硬度试样进行机械性能检测，检测结果见表1，该试样的机械性能符合设计图纸的技术要求。

表1  紧固机械性能检测结果

2.5化学成分分析

在紧固螺栓上取样进行化学成分分析，测试结果见表2，结果显示紧固螺栓的化学成分符合GB/T 3077-2015《合金结构钢》中牌号18Cr2Ni4WA的要求。

表2  紧固螺栓化学成分检测结果

3断裂原因分析

紧固螺栓的金相分析、机械性能分析及化学成分分析，检测结果符合设计图纸和相关标准的要求。紧固螺栓的宏观检测认定螺栓断裂模式为脆性断裂。紧固螺栓电镜检测，判断螺栓断裂模式为沿晶脆性断裂，呈现多源断裂特征，裂纹源分布于螺牙底部表面。紧固螺栓最终断裂呈现韧窝+解理特征，最终断裂为韧脆混合断裂。

由于紧固螺栓发蓝处理的工艺中存在酸洗工序，在酸洗过程中可能导致氢进入金属内部，根据断口呈现的沿晶断裂特征，认为紧固螺栓可能发生了氢致断裂。由于紧固螺栓强度硬度均较高，因此当金属内部有氢存在时，具有较高发生氢脆的倾向。一般来讲对于氢脆导致的延迟断裂断口通常有两个区域，一是氢脆裂纹扩展区，二是机械撕裂区，这与螺栓的宏观形貌是相吻合的，因此该螺栓失效模式很大可能为氢致断裂。

在紧固螺栓工序中存在调质处理，合金结构钢18Cr2Ni4WA在 490±20°C 进行了回火则有可能导致高温回火脆性，高温回火脆性导致的断裂的典型微观形貌为沿奥氏体晶界分离形成的冰糖状花样，此次失效的螺栓断面的微观形貌同样呈现了此特征，因此高温回火脆性也是导致螺栓发生脆性断裂的一种可能。

4结论

螺栓发生沿晶脆性开裂的原因可能有两点：一是酸洗过程氢进入金属内部导致氢脆；二是高温回火时导致材料出现高温回火脆性，其中发生氢脆的可能性较大。

参考文献

1陈凯敏, 赵宜, 徐罗平. 电力机车连接螺栓断裂分析[J]. 失效分析与预防, 2016, 11(1): 33-36.

2钢氢脆失效的新现象与新认识[J]. 失效分析与预防, 2015, 10(6): 376-383.

3郝清月.金属材料缺陷金相检测实例及缺陷金相图谱[M].香港:中国知识出版社，2006:402 - 406.

4吴建国.氢气对金属材料之影响[J].材料导报,2004(8):119- 120.