12.9級高強度內六角螺栓應力腐蝕斷裂原因

(上海汽車集團股份有限公司 乘用車公司, 上海 201804)

某工廠的車床刀夾固定螺栓于服役11個月后，在其頭部突然發生斷裂，造成設備故障。其中螺栓頭部遺失，僅剩桿部，如圖1a)所示。斷裂螺栓是規格為M8 mm的12.9級高強度內六角螺栓，材料為40Cr鋼，為避免螺栓受到氧化、腐蝕等問題，在其表面進行了磷化處理。螺栓通過刀盤上的連接孔擰入刀夾內的螺紋孔中，將刀夾固定在刀盤上，螺紋孔共計20個，如圖1b)所示。為查明該螺栓的斷裂原因，筆者對其進行了理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

使用VHX-2000型體視顯微鏡觀察螺栓桿一 側的斷口形貌，如圖2所示?？梢姅嗫诖蟛糠謪^域較平整，無明顯塑性變形，表面有銹跡；上半部分邊緣局部區域有塑性變形，為最終斷裂區。斷裂螺栓靠近頭部的螺紋銹蝕嚴重，另一端無明顯銹蝕，分界線在刀盤與刀夾連接處，如圖3所示。對比螺栓安裝位置，可以發現銹蝕嚴重區域出現在螺栓與刀盤連接孔處，無明顯銹蝕區域出現在螺栓與刀夾內螺紋孔處。

圖1 斷裂螺栓及其安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of a) fractured bolt andb) bolt installation position

圖2 斷裂螺栓斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of fractured bolt

圖3 斷裂螺栓的螺紋銹蝕形貌Fig.3 Corrosion morphology of fractured bolt thread

1.2 斷口分析

采用EVO MA25型掃描電鏡(SEM)觀察斷裂螺栓的斷口形貌[1-2]?？梢姅嗫谖⒂^形貌主要呈冰糖狀，為沿晶斷裂，并且存在一些二次裂紋及少量韌窩，如圖4所示。最終斷裂區的形貌呈韌窩狀，如圖5所示。利用SEM附帶的能譜(EDS)儀對沿晶斷裂區域進行微區成分分析，結果顯示該區域主要為鐵的氧化物，如圖6所示。

圖4 斷裂螺栓斷口的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of fractured bolt

圖5 最終斷裂區SEM形貌Fig.5 SEM morphology of final fracture zone

圖6 沿晶斷裂區域的EDS分析結果Fig.6 EDS analysis results of intergranular fracture zone

1.3 化學成分分析

在螺栓中間部位切取橫截面試樣，采用光電直讀光譜儀對斷裂螺栓的化學成分進行分析，結果如表1所示?？芍菟ǖ幕瘜W成分滿足GB/T 3077-2015《合金結構鋼》的技術要求。

表1 螺栓的化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Chemical composition analysis results ofbolt (mass fraction) %

1.4 硬度測試

采用維氏硬度計對斷裂螺栓的橫截面試樣進行硬度測試，結果如表2所示?？芍菟ǖ挠捕葷M足GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》的技術要求。

表2 螺栓硬度測試結果Tab.2 Hardness test results of bolt HV10

1.5 金相檢驗

將斷裂螺栓桿沿軸向剖開制備金相試樣，用體積分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕。使用ZEISS Axio Imager A2M型光學顯微鏡進行觀察，如圖7～8所示，可以見螺紋底部無折疊缺陷，螺栓表面碳勢正常；螺栓心部顯微組織為回火索氏體[3-4]，均符合GB/T 3098.1-2010對螺栓顯微組織的要求。

圖7 螺栓表面顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of bolt surface

圖8 螺栓心部顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of bolt core

利用光學顯微鏡觀察銹蝕區域的螺紋形貌，如圖9所示，可見螺紋底部均有腐蝕坑，放大觀察腐蝕坑，發現有樹枝狀裂紋從螺紋底部向螺栓心部擴展。

圖9 銹蝕區域的螺紋形貌Fig.9 Morphology of thread in corrosion area:a) corrosion pit; b) corrosion crack at pit bottom

2 分析與討論

斷口特征主要為沿晶斷裂，表面有腐蝕產物，硬度及金相檢驗結果符合標準的要求，而腐蝕區域螺紋底部存在伴有樹枝狀裂紋的腐蝕坑，這些均符合應力腐蝕斷裂的特征[5-8]。調查螺栓使用情況發現，設備每周做維護保養時，都將刀盤和刀夾整體浸入清洗槽的清洗液中進行超聲波清洗。清洗時連接刀盤刀夾的螺栓未拆卸，清洗液容易從螺栓頭下和刀盤安裝孔連接的縫隙處滲入，而清洗結束后，縫隙中會有清洗液殘留且未進行干燥處理，使得清洗劑和水在螺栓和刀盤連接孔中形成腐蝕介質，這也是螺栓靠近刀夾螺紋孔處無明顯銹蝕的原因。螺栓表面即使進行了磷化處理，但其防腐性能很低，一般中性鹽霧試驗僅要求防腐6 h，而實際工作中長時間與清洗劑和水的混合溶液接觸很容易發生腐蝕。螺栓為12.9級高強度螺栓，硬度高，內應力較大，應力腐蝕開裂敏感性較大，再加上工作載荷帶來的拉應力，在腐蝕環境下更容易發生應力腐蝕斷裂。

3 結論及建議

該12.9級高強度內六角螺栓的斷裂模式為應力腐蝕斷裂，原因是設備清洗過程中清洗液滲入到刀盤和刀夾連接的縫隙中從而引起腐蝕，在應力作用下發生應力腐蝕斷裂。

建議設備清洗時將刀盤和刀夾拆開，清洗完成后將各部件尤其是連接孔和縫隙進行干燥處理后再安裝使用，從而避免螺栓長時間接觸到清洗劑和水等腐蝕介質，防止應力腐蝕斷裂的發生。