20CrMnMo吊桿螺栓斷裂失效分析

■ 胡杰　楊其全　鄒定強(qiáng)

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20CrMnMo吊桿螺栓斷裂失效分析

■ 胡杰楊其全鄒定強(qiáng)

摘 要：20CrMnMo吊桿螺栓在安裝過程中發(fā)生斷裂，采用宏觀分析、化學(xué)成分分析、掃描電鏡斷口分析、金相檢驗(yàn)及表面硬度檢驗(yàn)等方法對(duì)螺栓的斷裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明，吊桿螺栓在滲碳淬火時(shí)，在圓弧過渡處形成約0.8 mm深度的硬化層，導(dǎo)致該處強(qiáng)度較高，存在高的氫脆敏感性；之后的磷化處理中由于酸洗后脫氫不充分，導(dǎo)致圓弧過渡的應(yīng)力集中處表面發(fā)生氫聚集，最終在安裝應(yīng)力作用下形成氫致裂紋，發(fā)生橫向脆性斷裂。

關(guān)鍵詞：20CrMnMo；螺栓；滲碳；氫脆；應(yīng)力集中；脆性斷裂

0　引言

某機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架用吊桿螺栓在安裝過程中發(fā)生斷裂，斷裂位置見圖1。該螺栓規(guī)格為M20×220 mm，材質(zhì)為20CrMnMo，螺栓的主要技術(shù)要求：（1）滲碳淬火HRC48～52，滲碳層0.5～0.6 mm；（2）表面磷化處理，主要過程為堿液除油、酸液除銹、磷化、封閉。為了查明該吊桿螺栓斷裂的原因，以便采取措施減少安全隱患，對(duì)斷裂的螺栓取樣進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。

1　理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1宏觀形貌

螺栓斷裂位置為螺紋與桿部連接過渡區(qū)域，此處圓弧倒角半徑為0.5 mm。螺栓表面未見明顯加工缺陷，也無明顯塑性變形特征。螺栓斷口形貌見圖2，斷口平齊，無腐蝕產(chǎn)物，斷裂從螺栓表面開始，并向螺栓芯部擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展區(qū)與軸向垂直，呈結(jié)晶顆粒狀，并具有放射狀撕裂棱線，裂紋源附近無明顯塑性變形。斷口呈現(xiàn)脆性斷裂特征。

1.2化學(xué)成分

在斷裂螺栓上截取一段，依據(jù)GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》進(jìn)行化學(xué)成分分析。檢驗(yàn)設(shè)備為ARL4460真空直讀光譜儀，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。可見斷裂螺栓材質(zhì)滿足材料20CrMnMo技術(shù)要求。

圖1　斷裂位置　

圖2　斷口宏觀形貌

表1　斷裂螺栓化學(xué)成分%（wt）

1.3掃描電鏡分析

圖3為斷口裂紋源A處高倍形貌，能清晰看到典型沿晶斷口形貌，類似于冰糖塊的堆積，也被稱作冰糖狀沿晶斷口，并伴有少量二次裂紋，部分晶面上存在細(xì)小變形線。圖4是裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷裂形貌，沿晶形貌往芯部延伸，逐漸出現(xiàn)準(zhǔn)解理花樣，沿晶形貌深度約0.8 mm。

對(duì)斷口邊緣一周區(qū)域進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在約0.8 mm深度范圍內(nèi)（圖5虛線圓圈外側(cè)區(qū)域）均為沿晶形貌。圖6—圖8分別為3處位置的電鏡照片。

根據(jù)螺栓斷口掃描電鏡結(jié)果可以看出，斷口一周0.8 mm深度范圍內(nèi)存在大量沿晶斷裂形貌。對(duì)于高強(qiáng)度鋼來說，沿晶斷口的產(chǎn)生可能與氫致延遲斷裂有關(guān)。

1.4金相分析

對(duì)斷口裂紋源處進(jìn)行縱向剖開，進(jìn)行金相觀察。斷口處未見明顯非金屬夾雜物。金相組織照片見圖9，可見裂紋源處金相組織為回火屈氏體。

1.5表面硬度分析

對(duì)裂紋源及螺栓表面處進(jìn)行金相觀察，金相試樣見圖10，發(fā)現(xiàn)斷口下方螺栓表面有一層深色硬化層，長度延伸到第一個(gè)螺紋扣，深度約0.8 mm，其低倍金相見圖11，表面明顯可見一層深色組織，對(duì)其進(jìn)行顯微維氏硬度測試（壓力大小為9.807 N），結(jié)果見表2和圖12。螺栓表面硬度值為477 HV，隨著深度的增加，硬度逐漸降低，芯部硬度約為400 HV，硬度值大于440 HV的硬化層深度為0.8 mm。

圖3　裂紋源區(qū)沿晶形貌（2 000×）

圖4　裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌（500×）

圖5　沿晶形貌所占區(qū)域（圓圈外側(cè)區(qū)域）

圖6　位置B處沿晶形貌（1 000×）　

圖7　位置C處沿晶形貌（1 000×）

圖8　位置D處沿晶形貌（1 000×）

圖9　裂紋源處金相組織照片（500×）　

圖10　金相試樣照片

圖11　表面低倍金相照片（圖10中虛線框區(qū)域）

表2　斷口附近表面硬度　HV1

圖12　表面硬度梯度測試結(jié)果

2　檢驗(yàn)結(jié)果分析

2.1斷裂性質(zhì)分析

螺栓斷口無宏觀塑性變形，斷裂起始區(qū)較平齊，有放射花樣；斷口一周0.8 mm深度范圍內(nèi)主要為沿晶形貌特征；斷裂性質(zhì)應(yīng)屬于脆性斷裂性質(zhì)。

2.2斷裂原因分析

對(duì)斷口的微觀分析表明，裂紋源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)存在大量沿晶斷口形貌，對(duì)于高強(qiáng)度鋼來講，斷裂過程中沿晶斷口的產(chǎn)生可能與氫脆有關(guān)。

螺栓光桿部位要經(jīng)過滲碳淬火處理，從而提高其表面硬度和耐磨性，由斷口金相觀察可知，光桿和螺紋部位的連接處同時(shí)受到了滲碳淬火的影響，在表面形成一層深度約0.8 mm的硬化層（增碳層），最大硬度值為477 HV1。參照GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》標(biāo)準(zhǔn)，換算得出連接處表面強(qiáng)度值約為1 575 MPa，屬于高強(qiáng)度范圍，存在高的氫脆敏感性。

表面磷化處理前，為了去油除銹，需要進(jìn)行酸洗工藝，酸洗過程中金屬與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)所產(chǎn)生的氫除以氫分子形式逸出外，還有部分氫可能進(jìn)入金屬內(nèi)部。在高強(qiáng)度鋼中，氫主要以原子態(tài)存在，常偏聚于位錯(cuò)下形成氣團(tuán)，是造成氫脆的主要原因。

螺栓光桿與螺紋連接處采用小半徑圓弧過渡（R0.5 mm），此處為螺栓應(yīng)力集中較大部位。對(duì)于高強(qiáng)度鋼，即使鋼中氫含量小于0.000 1%，由于應(yīng)力的作用，處在點(diǎn)陣間隙中的氫原子會(huì)通過擴(kuò)散集中于應(yīng)力集中處，氫原子與位錯(cuò)的交互作用使位錯(cuò)釘扎不能自由活動(dòng)，從而使基體變脆。當(dāng)應(yīng)力集中處的氫含量達(dá)到臨界時(shí)，在安裝應(yīng)力和氫的共同作用下使過渡圓弧表面產(chǎn)生沿晶裂紋，當(dāng)主裂紋達(dá)到臨界尺寸時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，造成螺栓突然脆斷。

3　結(jié)論

（1）吊桿螺栓在滲碳淬火時(shí)，在圓弧過渡處形成約0.8 mm深的硬化層，導(dǎo)致該處強(qiáng)度較高，存在高的氫脆敏感性；

（2）之后的磷化處理中由于酸洗后脫氫不充分，導(dǎo)致圓弧過渡的應(yīng)力集中處表面發(fā)生氫的聚集，最終在安裝應(yīng)力作用下形成氫致裂紋，發(fā)生橫向脆性斷裂。

胡 杰：中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，助理研究員，北京，100081

楊其全：中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，副研究員，北京，100081

鄒定強(qiáng)：中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，研究員，北京，100081

責(zé)任編輯 高紅義

中圖分類號(hào)：U260.331+.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-061X（2016）02-0078-03