30CrMnSiA螺栓斷裂的失效分析

徐周玨，董娜（洪都航空工業集團理化測試中心，江西南昌，330024）

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30CrMnSiA螺栓斷裂的失效分析

徐周玨，董娜
（洪都航空工業集團理化測試中心，江西南昌，330024）

摘 要：飛機上裝配的螺栓在使用過程中發生斷裂失效，對斷裂螺栓的斷口進行了宏觀觀察與微觀分析研究，還針對螺栓材料進行了硬度測試和金相組織分析。研究結果表明：該螺栓的斷裂性質為氫脆斷裂，裂紋產生原因與零件的熱處理工藝有關；零件的材料強度遠遠超過圖紙要求的強度，增加了零件的氫脆敏感性。

關鍵詞：30CrMnSiA螺栓；沿晶斷裂；氫脆斷裂

引言

螺栓在飛機上的使用量很大，主要用于緊固和連接［1］。1個螺栓斷裂，嚴重時將危及飛機的安全，可見螺栓的作用不僅重要，而且非常關鍵。螺栓的氫脆斷裂經常表現為延遲斷裂現象，前期檢查不容易被發現，這將給飛行埋下安全隱患；如果當飛機飛行中螺栓突然發生斷裂，則極有可能引起嚴重的飛行事故。一般情況下，螺栓氫脆斷裂主要原因是氫含量過高［2］。在中高強度鋼生產中，由于熱處理工藝不當，導致強度過高而產生的氫脆斷裂的情況較為少見。本文針對30CrMnSiA螺栓，由于其熱處理工藝不當，導致硬度過高而產生氫脆斷裂情況進行了分析。

某型飛機上有1個螺栓在使用過程中出現斷裂失效，該螺栓裝配在飛機的部件上較長時間才開始應用飛行。螺栓材料為30CrMnSiA，螺栓表面鍍鋅，鍍鋅后的除氫工藝符合技術文件要求。本文通過對該螺栓進行宏觀分析、硬度測試、掃描電鏡分析和金相分析，確定了其失效性質及原因，并提出預防措施。通過后續飛行驗證，該型飛機上使用的相同材料和型號的螺栓再未發生氫脆斷裂現象，提高了該型飛機的飛行安全性能。

1 試驗過程與結果

1.1 斷口宏觀觀察

斷裂螺栓的宏觀觀察如圖1所示，螺栓斷裂位置位于螺栓頭部。

圖1 螺栓斷裂位置

斷口宏觀形貌如圖2所示，該螺栓的斷口較平齊，呈亮灰色。斷口基本呈結晶顆粒狀，只在一側邊緣有一小部分呈纖維狀特征。

圖2 螺栓斷口宏觀形貌

1.2 斷口微觀觀察

將螺栓斷口試樣用超聲波清洗儀清洗后吹干，置于TESCAN VEGA掃描電子顯微鏡下進行斷口微觀觀察，裂紋起源于螺栓表面，斷口上大部分區域可見沿晶斷裂特征，未見明顯的腐蝕產物，晶粒輪廓鮮明，晶界上有細小的雞爪形的撕裂棱線，如圖3所示。

圖3 螺栓斷口微觀形貌

1.3 組織觀察與硬度檢查

螺栓橫向截取金相試樣，通過碾磨拋光并經過3%硝酸酒精溶液腐蝕后，放在萊卡DMI5000金相顯微鏡下觀察，其金相組織見圖4。由圖可見，金相組織均為針狀馬氏體組織。

圖3 螺栓斷口微觀形貌

沿該螺栓橫截面制取顯微硬度試樣，經W I L S O N顯微硬度計進行3次顯微硬度檢測，顯微硬度硬度值分別為591.63HV0.5、5 8 6.1 7 H V 0.5、5 8 6.2 1 H V 0.5，平均值為588HV0.5，換算為抗拉強度約為2008MPa，而該零件圖紙要求使用狀態的抗拉強度為1075～1275MPa。

2 分析與研究

2.1 結果分析

螺栓斷口平坦，斷裂位于螺栓頭部轉角處，且起源于螺栓表面，整個斷口無明顯宏觀可見塑性變形，斷口表面平齊，斷口呈灰亮色，且有金屬顆粒光澤，斷口表面干凈無腐蝕產物。微觀可見沿晶特征，以及晶面上的雞爪痕等變形痕跡。從斷口特征和斷裂位置可以判斷該螺栓的斷裂性質為氫脆斷裂。

當表面應力集中嚴重時，若是斷裂性質為氫脆，則裂紋源區位于零件次表面［3］。從零件的使用情況分析，該螺栓使用過程中所受的力為靜應力，這個也符合氫脆的斷裂條件。

2.2 影響因素研究

中高強度鋼氫脆斷裂的影響因素主要有強度、氫含量、應力集中三個方面［4］。其中，強度和氫含量是兩個為最關鍵的影響因素。螺栓在鍍鋅過程中不能避免氫的滲入，采取鍍鋅后除氫處理可消除。據委托方提供的工藝，對于30CrMnSiA調質態鍍鋅后除氫工藝應該是符合要求的，但檢測到失效螺栓的硬度HRC值為588，換算出來的強度值約為2008MPa，遠遠超于30CrMnSiA正常使用態的抗拉強度。

材料強度越大，其氫脆敏感性也越大，材料也越容易吸氫［5，6］。這么高的強度遠遠增大了30CrMnSiA氫脆敏感性。從熱處理工藝考慮，正常調質態的30CrMnSiA不可能達到這個硬度，且正常調質態金相組織應為索氏體組織，而失效件金相組織為針狀馬氏體組織。在各種不同的顯微組織中，馬氏體對氫脆的敏感性最大，接下來貝氏體、索氏體、珠光體、奧氏體等組織對氫脆的敏感性依次降低［7］。所以該螺栓的組織為氫脆敏感組織。

從螺栓機械性能和組織結構兩方面考慮，都大大降低了材料發生氫脆斷裂的門檻。因此，綜合判斷該螺栓的斷口原因是：熱處理工藝不當導致的氫脆斷裂。

3 結論與建議

該螺栓由于熱處理工藝不當導致零件硬度偏高和金相組織不正常，在服役過程的靜應力作用下發生了氫脆斷裂。

建議如下：一是嚴格控制螺栓的熱處理工藝，確保該型號螺栓的硬度滿足圖紙要求；二是嚴格控制該型螺栓的電鍍后除氫工藝，通過氫脆敏感性試驗保證每批螺栓的氫脆敏感性都是合格的。

通過后期跟蹤驗證：該型飛機上使用的相同材料和型號的螺栓再未發生氫脆斷裂現象，提高了該型飛機的飛行安全性能。

參考文獻

［1］ 孫國峰，宣祎恂，江純偉.螺栓斷裂失效分析［J］.理化測試.2011（01）.

［2］ 楊永生.鎖緊螺栓斷裂原因分析［J］.金屬熱處理.2011（S1）.

［3］ 王文娟.高強度螺栓鋼的耐延遲斷裂研究分析［J］.科技創新導報.2011（35）.

［4］ 穆妍君，楊峻，文翰剡.30CrMnSiA鋼螺栓斷裂原因分析［J］.金屬熱處理.2014（01）.

［5］ 周艷，張潔.高強度螺栓斷裂原因分析［J］.理化檢驗（物理分冊）.2014（07）.

［6］ 孫小炎.合金鋼螺栓的氫脆［J］.航天標準化.2012（01）.

［7］ 武光宗，王毛球， 王春芳， 甘國友，董瀚.回火馬氏體鋼中氫的擴散行為及其氫脆敏感性［J］.材料熱處理學報.2012（01）.

Fracture Failure Analysis of 30CrMnSiA Bolt

Zhoujue Xu， Na Dong
（Physics & Chemistry Test Center of Hongdu Aviation Industry Group， NanChang， 330024， China）

Abstract：During using on flight，a bolt fractured.Through macro and microscopic studying，morphology of fracture surface were observed，metallurgical microstructure and hardness of the bolt were analyzed.The results showed that the fracture mode of the bolt were hydrogen embrittlement fracture.The bolt fracturing was caused by the susceptibility to hydrogen embrittlement related to the heat treatment process， the material were enhanced beyond requirement.

Key words：30CrMnSiA Bolt； Intergranular Fracture； Hydrogen Embrittlement

中圖分類號：TG115

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-176-03

DOI：工業技術創新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.017

作者簡介：

徐周玨（1983-），男，工程師，本科，工作單位：江西洪都航空工業股份有限公司。研究方向：機械產品可靠性和失效分析。

E-mail： 12196640@qq.com