M56螺栓斷裂失效原因分析

■ 李玲，孟慶宇，劉旭科，程良

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我公司生產(chǎn)的用于回轉(zhuǎn)部上上框架外側(cè)弧形框連接法蘭最外側(cè)上部的兩件M56×210螺栓發(fā)生斷裂。螺栓規(guī)格為M56，所用材料為40Cr，設(shè)計(jì)要求硬度為28～32HRC，表面鍍鋅，鍍層厚度設(shè)計(jì)要求為7～12μm。兩件斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示，斷裂位置均位于螺紋段，1#螺栓斷裂位置距端頭約50mm（裝配面附近），2#螺栓斷裂位置距端頭約70mm，斷裂位置未見機(jī)械損傷及明顯塑性變形痕跡，斷口及螺栓表面存在明顯的腐蝕痕跡。螺栓緊固件是機(jī)械設(shè)備上不可缺少的通用零部件，用量大，使用范圍廣，對(duì)其斷裂失效原因進(jìn)行分析是十分必要的。

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌

1. 檢驗(yàn)與結(jié)果

（1）宏觀分析 體視顯微鏡下觀察兩螺栓斷口，宏觀形貌相似，斷口凹凸不平，斷面粗糙，存在明顯的腐蝕痕跡，其中2#斷口腐蝕程度更嚴(yán)重；源區(qū)位于螺紋根部表面，為線源起裂，擴(kuò)展區(qū)呈放射狀，如圖2所示。

（2）斷口掃描電鏡分析 采用掃描電鏡對(duì)兩個(gè)螺栓斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，1#斷口和2#斷口源區(qū)及其附近擴(kuò)展區(qū)均呈沿晶+腐蝕形貌，沿晶區(qū)域最大深度約5mm，可見較多沿晶二次裂紋，晶面可見微孔及“雞爪紋”，部分晶面可見腐蝕痕跡，如圖3、圖4所示。

圖 2

圖3 源區(qū)沿晶形貌

圖4 源區(qū)晶面腐蝕形貌

（3）能譜成分分析 對(duì)斷面進(jìn)行能譜分析，未腐蝕晶面含有Fe、Cr（1.3%）、Mn（0.8%）元素，主合金元素及含量與40Cr牌號(hào)相符，腐蝕區(qū)域除基體元素外還含有較高的O元素，能譜圖如圖5所示。原材料復(fù)驗(yàn)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示。

（4）金相檢驗(yàn) 從2#螺栓斷口區(qū)域截取部分試樣進(jìn)行金相分析，斷口剖面呈鋸齒狀，可見腐蝕產(chǎn)物及較多沿晶分叉裂紋，個(gè)別裂紋內(nèi)部可見腐蝕產(chǎn)物，如圖6所示；浸蝕后觀察，斷口區(qū)域組織與其他區(qū)域組織未見明顯差異，均為馬氏體組織，如圖7所示。螺栓外表面可見斷續(xù)分布的鍍鋅層，厚度7～8μm，符合設(shè)計(jì)要求（7～12μm），鍍層形貌如圖8所示。

圖5 斷面能譜分析

表1 原材料40Cr成分復(fù)驗(yàn)情況匯總

表2 原材料力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)情況匯總

圖6 斷口表面腐蝕及沿晶分叉裂紋形貌

圖7 顯微組織形貌

圖8 表面鍍層形貌

（5）硬度測(cè)試 對(duì)2#金相試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為460HV0.3、460HV0.3、465HV0.3、463HV0.3、465HV0.3，平均463HV0.3，換算為約46.2HRC，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求，根據(jù)GB/T 1172—1999標(biāo)準(zhǔn)換算為抗拉強(qiáng)度大于1400MPa。對(duì)1#螺栓端面進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，結(jié)果為47.8HRC、48.8HRC、45.5HRC、45.2HRC、48.8HRC，平均47.2HRC，換算為抗拉強(qiáng)度大于1500MPa。

2.結(jié)果分析與討論

（1）能譜分析結(jié)果表明螺栓所用材料的主成分未見異常，原材料入廠復(fù)驗(yàn)成分及力學(xué)性能均符合GB/T3077要求。

（2）金相分析結(jié)果表明螺栓材料組織為馬氏體組織，材料硬度大于46HRC，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求，應(yīng)是熱處理工藝控制不當(dāng)所致。

（3）螺栓表面存在鍍鋅層，厚度符合設(shè)計(jì)要求。QJ450B—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，直徑大于10mm、抗拉強(qiáng)度大于1300MPa的高強(qiáng)度螺栓禁用鍍鋅工藝，由于該強(qiáng)度下材料具有高的氫脆敏感性，極易發(fā)生氫脆。

（4）兩件螺栓均斷于螺紋段，斷裂部位未見明顯塑性變形痕跡，斷口表面存在不同程度的腐蝕痕跡。兩斷口宏觀、微觀形貌較為相似，源區(qū)位于螺紋根部表面，為線源起裂，源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)微觀均呈沿晶+腐蝕形貌，可見較多沿晶二次裂紋，晶面可見微孔及“雞爪紋”，部分晶面存在腐蝕痕跡。根據(jù)以上形貌特征判斷，兩件螺栓的斷裂模式均為脆性延遲斷裂，機(jī)理為氫脆及應(yīng)力腐蝕。

3.結(jié)語

綜合分析認(rèn)為，兩件螺栓的斷裂模式均為脆性延遲斷裂，機(jī)理為氫脆及應(yīng)力腐蝕。螺栓在使用過程中螺紋根部首先產(chǎn)生氫損傷，后續(xù)使用過程中在氫脆及應(yīng)力腐蝕的共同作用下發(fā)生擴(kuò)展并斷裂。發(fā)生斷裂的原因應(yīng)與熱處理工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致材料硬度過高、具有較高的氫脆敏感性有關(guān)。