挖掘機履帶螺栓斷裂失效分析

劉海波， 王君， 徐鑫， 沈趙琴， 蔣達磊， 朱先華

（1.浙江國檢檢測技術股份有限公司，浙江 海鹽314300；2.海鹽縣三地自來水有限公司，浙江 海鹽314300；3.嘉興市南湖區社會福利保障指導中心，浙江 嘉興314000）

0 引言

履帶式工程車輛中，履帶板是利用履帶螺栓固定在履帶鏈上，由左右驅動輪實施驅動。履帶螺栓將履帶板固定于履帶鏈上，是要求可靠性高的聯接件[1]。委托方提供六角凸緣履帶螺栓斷裂件1枚、同批次未使用完好件5枚，規格為M24×1.5×72，材質為SCM435，性能等級為12.9級。螺栓制造工藝為：頭桿尾成型→熱前搓絲→調質（脫磷、淬火、回火）→磁粉探傷→表面發黑→上防銹油→包裝。螺栓安裝轉矩為（1230±35）N·m，安裝到履帶板上后經過清洗、浸漆、100 ℃烘干。烘干工序完成后，將履帶板安裝到挖掘機上時發生履帶螺栓掉頭失效，失效比例為0.01%，為偶發事件。筆者對送檢螺栓進行失效分析，找出螺栓斷裂的原因。

1 理化檢測

1.1 斷口形貌分析

斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示，可見斷裂發生于頭桿連接處，試樣表面未發現明顯的擠壓磨損或銹蝕痕跡。圖2所示為失效螺栓斷口宏觀形貌，斷面平整，無明顯塑性變形痕跡，且存在輕微銹蝕現象。斷口左上方隱約可見放射狀條紋，收斂于斷口邊緣（箭頭所示）。將斷口分為A、B、C三個區域進一步描述。圖3所示為斷面A區電鏡微觀形貌，可見靠近邊緣的斷面存在明顯的覆蓋物，而遠離邊緣的斷面可見明顯的冰糖狀沿晶形貌，伴隨晶間二次裂紋，晶面存在雞爪形發紋。A區能譜元素分析如圖4所示，靠近邊緣的區域存在大量的氧元素及少量鈣、鉀、氯等元素，而遠離邊緣的區域未發現明顯的外來元素。圖5、圖6所示分別為B區和C區微觀形貌，為準解理形貌+少量韌窩形貌。

1.2 化學成分檢測

對斷裂螺栓與完好螺栓分別進行化學成分檢測，結果如表1所示，符合“JIS G4053-2008”標準的相關要求。在斷裂螺栓裂紋起源區取樣，進行氫含量測試，結果顯示，殘余氫含量為1.1×10-6。

圖1 送檢試樣宏觀形貌

圖2 螺栓斷口宏觀形貌

圖3 A區微觀形貌

圖4 A區能譜分析結果

圖5 B區微觀形貌

圖6 C區微觀形貌

表1 螺栓化學成分質量分數檢測結果%

1.3 金相組織分析

將失效螺栓斷裂頭部縱剖進行金相分析。圖7所示為失效螺栓頭部縱截面金屬流線，可見頭部流線左右對稱、連續，且沿頭部外形分布，無異常。圖8所示為失效螺栓頭下圓角半徑測量結果，頭下圓角半徑為1.17 mm，符合GB/T 3105-2002標準中對規格為M24螺栓的要求（≥0.8 mm）。圖9所示為失效螺栓斷裂起始區金相組織，斷裂發生于頭下圓角處，斷裂起始點距離支承面法向長度為0.085 mm。斷裂起始區附近未發現明顯的折疊、裂紋等不連續性缺陷，頭下圓角表面未見明顯的脫碳、增碳現象。圖10所示為失效螺栓終斷區一側縱截面金相組織，可見距離支承面法向長度為0.090 mm處存在一條明顯的擴展中的微裂紋。圖11所示為微裂紋部位金相組織，可見裂紋起始于頭下圓角表面，起裂處表面存在厚度約10 μm的白亮層，經能譜分析（如圖12），白亮層中存在1%左右的P元素，P元素含量遠遠高于螺栓材料的上限值（≤0.030%），因此推斷該亮白層為熱處理前局部磷化膜未去除干凈引起的滲磷層。圖13所示為靠近白亮層的基體能譜分析結果，可見基體含有0.3%左右的P，明顯高于螺栓材料的上限值（≤0.030%）。微裂紋前半段呈穿晶形式，后半段呈沿晶形式擴展，裂紋內部存在明顯的填充物，經能譜分析（如圖14），可見除基體元素外，填充物主要成分為大量氧元素、少量鎂、氯、鉀、鈣等元素，與斷面覆蓋物化學成分相似。

圖7 失效螺栓頭部金屬流線

圖8 失效螺栓頭下圓角半徑

圖9 斷裂起始區金相組織

圖10 終斷區一側金相組織

圖11 微裂紋金相組織

圖13 靠近白亮層的基體能譜分析

圖12 表面白亮層能譜分析結果

1.4 力學性能檢測

送檢螺栓力學性能檢測結果如表2所示，所檢項目均符合GB/T 3098.1-2010標準中對12.9級螺栓的要求。經計算可知，完好螺栓抗拉強度為1481 MPa，符合相應的標準要求（≥1220 MPa）。在斷裂螺栓頭下圓角表面進行硬度梯度檢測，結果如表3所示，可見硬度均勻，表面無明顯增碳現象。

表2 送檢螺栓力學性能檢測結果

2 綜合分析

送檢螺栓頭部金屬流線、頭下圓角尺寸、表面缺陷、金相組織、化學成分等指標均未發現異常。委托方提供信息顯示，送檢螺栓先安裝于履帶板上，將履帶板裝機時發生螺栓掉頭，因此螺栓安裝后僅受軸向力作用，且呈現延時斷裂特征。斷口低倍形貌顯示，斷面無明顯塑性變形，并可見放射狀條紋，條紋收斂于斷口邊緣，說明斷裂起始于螺栓頭下圓角表面。斷口電鏡形貌顯示，晶粒輪廓鮮明呈冰糖塊狀，晶面上存在大量的雞爪形撕裂棱等，均為氫致開裂的重要特征，所以失效螺栓斷裂的性質為氫脆斷裂[2]。所謂氫脆斷裂，就是氫滲入金屬材料內部后，造成材料損傷，使材料在低于材料屈服強度的靜應力作用下發生的延遲斷裂[3]。影響螺栓氫脆斷裂的主要因素有：氫的存在和作用，一定的強度和硬度，足夠的拉應力作用及回火不充分的組織等。一般情況下，螺栓氫含量越高、強度和硬度越高、承受的應力作用越大，則越容易引起氫脆斷裂的發生。

本案例中，送檢螺栓性能等級為12.9級，硬度達到400 HV以上（通常零件的硬度大于320 HV時就有氫脆傾向）。但螺栓表面無增碳現象，且基體殘留氫含量僅為1.1×10-6，因此送檢螺栓本身氫脆敏感性較低。金相組織顯示，斷裂起始點距離支承面法向長度為0.085 mm，而終斷區頭下圓角存在一條呈沿晶擴展的微裂紋，距離支承面法向長度為0.090 mm，與斷裂起始點位置基本一致。因此有理由懷疑該微裂紋即為斷裂起始裂紋。微裂紋起始處存在深度為10 μm的滲磷層，說明熱處理前螺栓表面的磷化膜未去除干凈，同時靠近滲磷層的基體的P含量明顯高于常見鋼材的上限值。一般情況下磷視為有害元素，磷的晶界偏聚將會極大地降低晶界結合力及鋼低溫韌性，從而導致鋼產生低溫脆性現象，俗稱鋼的冷脆性[4]。鋼中磷會增加鋼的回火脆性、敏感性和引起冷脆，與合金元素一起共偏聚會加劇高溫回火脆性。同時磷對沖擊韌性危害很大[5]。由于螺栓頭下圓角表面形成滲磷層，近表面基體磷含量增加，引起該處表面脆性顯著增大，導致安裝過程中產生微裂紋。由于氫脆失效是在氫和應力的共同作用下產生的，存在多個影響因素，只有在各個影響因素的綜合作用超過一定臨界值時才會發生斷裂。螺栓頭下圓角為應力集中區域，微裂紋加劇了應力集中狀態，同時磷元素過高，易引發氫致裂紋[5]，促進了氫致裂紋的形成與擴展，最終表現為氫脆斷裂。

表3 斷裂螺栓頭下圓角硬度梯度檢測結果

金相組織顯示，終斷區一側微裂紋內部存在填充物，經能譜分析，填充物化學成分與斷裂起始區覆蓋物相似，可能為同一種物質。該覆蓋物為斷裂后黏附于斷口的可能性不大，結合安裝工藝，推斷浸漆工序前該螺栓頭下圓角已經發生開裂，油漆滲入裂紋并沉積于裂紋斷面。與前文分析微裂紋產生于安裝過程的結論相吻合。

3 結論

1）送檢螺栓失效模式為氫脆斷裂，引起螺栓發生氫脆斷裂的主要原因是頭下圓角表面存在因滲磷層導致的安裝微裂紋；

2）“GB/T 3098.1-2010 緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱”標準中表2注解h規定“12.9級表面不允許有金相能測出的白色磷化物聚集層，去除磷化物聚集層應在熱處理前進行”。國標明確規定12.9級螺栓應在熱處理前去除磷化層。但在實際生產環節，經常會接到生產業者咨詢，內容都是關于如果磷化層未去除會對緊固件產生多大的影響。一方面生產業者可能對國標理解不充分，另一方面可能存在僥幸心理，認為表面薄薄的一層磷化聚集層并不會對緊固件性能產生明顯的不良影響。在本案例中，送檢螺栓各項檢測項目均符合標準要求，但是由于頭下圓角表面存在深度僅為幾十微米的磷化聚集層，牽一發而動全身，最終導致發生螺栓斷裂、履帶板脫落的事故。“千里之堤毀于蟻穴”，對于緊固件這類重要的承力連接件，一旦失效斷裂，很容易發生安全事故，切不可心存僥幸心理。