緊固件斷裂宏觀金相分析

10.9級(jí)六角頭螺栓，規(guī)格為M16×1.5×60，表面電鍍鋅處理，呈黃色。該螺栓為汽車方向機(jī)支架螺栓，在安裝運(yùn)行一段時(shí)間后斷裂。

螺栓斷裂件自螺栓頭下圓角處斷裂，如圖12-59所示。

螺栓斷口處未見明顯塑性變形和機(jī)械擦傷，但支撐面有摩擦痕跡；宏觀觀察斷口表面，其斷口結(jié)構(gòu)較粗糙呈顆粒狀，色澤偏亮灰色，局部區(qū)域已被銹蝕，如圖12-60所示。

圖12-59 斷裂件宏觀形貌               圖12 -60斷口宏觀形貌

（1）微觀分析

螺栓斷口用超聲波清洗后掃描電鏡觀察，斷口低倍形貌見圖12-61。

斷口裂紋的起源處為沿晶斷裂，斷口呈冰糖狀斷口，斷口晶面平坦，沒(méi)有明顯的附著物，伴有白亮的不規(guī)則細(xì)亮條紋和二次裂紋，局部可見雞爪痕，如圖12-62所示；斷口的擴(kuò)展區(qū)為準(zhǔn)解理形貌伴有少量韌窩，如圖12-63所示。

圖12-61  斷口低倍形貌                 圖12-62  裂紋起源處微觀形貌

                   圖12-63   擴(kuò)展區(qū)斷口微觀形貌。

（2）化學(xué)成分分析

采用光譜儀對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果符合《GB/T3077- 1999》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)20MnTiB鋼成分要求，

（3）硬度檢測(cè)

將螺栓斷口附近截下進(jìn)行硬度梯度試驗(yàn)。硬度梯度試驗(yàn)是橫向從螺栓表面開始沿軸向打維氏硬度，表面硬度450HV，沿橫截面方向向內(nèi)的硬度逐漸降低，心部硬度為380HV。

（4）金相檢查

螺栓斷口附近取樣制成金相試樣，金相組織為回火索氏體組織，如圖12-64所示；螺栓表面有0.18mm左右的滲碳層，如圖12-65所示。

圖12-64 斷裂螺栓金相組織                圖12-65 螺紋表面滲碳組織

（5）氫含量的測(cè)定

在螺栓斷口附近和螺栓心部取樣進(jìn)行氫含量測(cè)定，測(cè)氫儀測(cè)定氫含量結(jié)果：

斷口附近氫含量14.1 ppm，心部氫含量5.2 ppm。

故障螺栓的化學(xué)成分滿足《GB/T3077-1999》標(biāo)準(zhǔn)的要求；硬度梯度試驗(yàn)表明螺栓表面硬度高，為450HV，心部硬度為380HV，說(shuō)明螺栓存在表層硬化現(xiàn)象，金相組織檢查，螺栓表面表面有滲碳層，所以，螺栓表面硬度比心部高的多。

氫含量檢測(cè)，螺栓斷口附近表面氫含量相當(dāng)高。

該螺栓為10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，通常高強(qiáng)度的材料比強(qiáng)度等級(jí)低的材料氫脆敏感性大，裂紋擴(kuò)展速率也大。而螺栓表面由于滲碳層的存在，使得螺栓表面硬度高塑性差。在斷裂件中測(cè)得的氫含量高達(dá)14.1ppm，為氫脆斷裂的發(fā)生提供了條件。

螺栓斷口沒(méi)有明顯的塑性變形，微觀形貌中的冰糖塊晶粒形狀，以及晶面上的雞爪痕等是氫脆的典型形貌。

該螺栓在制造過(guò)程中經(jīng)過(guò)了酸洗和電鍍鋅，螺栓在這兩道工藝過(guò)程中造成較多的氫滲入，在后期處理中，滲入螺栓的氫沒(méi)有完全去除，而且氫滯留在螺栓內(nèi)的氫含量較高。在應(yīng)力的作用下較高氫含量的氫容易向應(yīng)力集中的部位聚集，應(yīng)力集中處產(chǎn)生微裂紋，在應(yīng)力和氫的共同作用下裂紋擴(kuò)展，螺栓開裂最后斷裂失效。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）螺栓的斷裂性質(zhì)是氫致脆性斷裂。

（2）螺栓熱處理滲碳使表面硬度增高，也使螺栓脆性增加。

（3）螺栓在酸洗和電鍍鋅時(shí)有氫滲入，滲氫后沒(méi)有及時(shí)除氫，造成螺栓存在氫脆危險(xiǎn)性。

（4） 螺栓在熱處理時(shí)不要人為滲碳，一定要按工藝進(jìn)行熱處理防止?jié)B碳和脫碳。

（5）高強(qiáng)度螺栓最好不要進(jìn)行酸洗和電鍍鋅，可采用吹砂、清洗后熱浸鋅，防止氫滲入。

（6）高強(qiáng)度螺栓一定要防止酸洗；如果要鍍鋅，最好采用吹砂或其他清洗方法，電鍍鋅后一定要及時(shí)除氫。