汽車(chē)底座六角頭螺栓失效分析

某發(fā)動(dòng)機(jī)底座六角頭螺栓，強(qiáng)度為12.9級(jí)，規(guī)格為M12×30，材料為40Cr鋼，螺栓表面發(fā)黑處理; 螺栓安裝后在第二天就發(fā)生了斷裂。

（1）宏觀檢查

六角頭螺栓斷裂件，宏觀形貌見(jiàn)圖12-25。

螺栓斷裂位置為螺紋部分，斷口平直，斷面結(jié)構(gòu)粗糙，斷口附近無(wú)宏觀塑性變形，整個(gè)斷面呈深灰色，其上可見(jiàn)多個(gè)銀白色亮區(qū)，見(jiàn)圖12-26。

   圖12-25 斷裂螺栓宏觀形貌  

圖12-26 斷口宏觀形貌

（2）微觀分析

在掃描電鏡下觀察斷口形貌，裂源區(qū)微觀形貌均為冰糖狀沿晶斷裂，晶面上存在大量的雞爪形撕裂棱，見(jiàn)圖12-27；

擴(kuò)展區(qū)形貌主要為沿晶和韌窩混合形貌，見(jiàn)圖12-28；

部分區(qū)域存在準(zhǔn)解理斷裂形貌，見(jiàn)圖12-29；

最后斷裂區(qū)微觀形貌為剪切韌窩，見(jiàn)圖12-30。

圖12-27 冰糖狀沿晶斷裂形貌            圖12-28 沿晶和韌窩混合形貌

圖12-29 準(zhǔn)解理斷裂形貌                圖12-30 剪切韌窩形貌

（3）金相分析

沿螺栓中心線縱向截取試樣，制成金相試樣，在顯微鏡鏡下觀察螺栓和螺紋的組織。

螺栓的顯微組織為均勻的回火索氏體組織，見(jiàn)圖12-31a；

螺栓表面有0.1mm深的滲碳層，見(jiàn)圖12-31ｂ；

螺紋根部有一條小裂紋，見(jiàn)圖12-31ｃ；

2．4硬度測(cè)試

a.回火索氏體組織           b.螺紋滲碳層              c.螺紋根部裂紋

圖12-31（a、b、c） 金相組織

（4）化學(xué)成分分析

利用直讀光譜對(duì)螺栓的化學(xué)成分進(jìn)行分析，螺栓化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果符合40Cr鋼技術(shù)要求。

（5）硬度測(cè)試

  按《GB/T3098.1-2000》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺栓進(jìn)行螺紋根部硬度梯度測(cè)試、表面硬度和心部硬度測(cè)試結(jié)果，螺紋根部有0.14mm滲碳層，表面硬度不符合要求，螺栓心部硬度雖符合要求，但是總體水平接近硬度上限，有個(gè)別點(diǎn)超過(guò)硬度上限。

硬度檢測(cè)結(jié)果示意圖就12-33。

圖12-33  硬度檢測(cè)結(jié)果示意圖

（6）氫含量檢查

對(duì)斷裂件進(jìn)行氫含量檢查, 螺栓氫含量檢測(cè)結(jié)果為9.10ppm。

螺栓的化學(xué)成分、金相組織、心部硬度等符合螺栓的技術(shù)要求，其中表面有0.14mm滲碳層，使表面硬度偏高，而且在螺紋牙底的滲碳層上有小裂紋。

螺栓氫含量檢測(cè)結(jié)果偏高，說(shuō)明螺栓在表面處理過(guò)程中有滲氫，而且除氫不充分。

螺栓斷口形貌掃描電鏡分析結(jié)果，螺栓斷口為典型的氫脆斷口，主要原因是螺栓氫含量偏高，在安裝應(yīng)力作用下發(fā)生氫致延遲斷裂。

氫脆斷裂是機(jī)械產(chǎn)品失效機(jī)理中比較常見(jiàn)的一種,它是由于氫滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致?lián)p傷，從而使金屬零件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力作用下導(dǎo)致的失效。氫脆一般分為三類(lèi)，即氫致塑性損失、氫誘發(fā)裂紋(或不可逆氫損傷)和應(yīng)力誘發(fā)氫致滯后斷裂。本文所分析的斷裂螺栓是屬于第三種，應(yīng)力誘發(fā)氫致滯后斷裂屬于低應(yīng)力脆斷。它與氫的擴(kuò)散和凝聚有關(guān)，無(wú)前兆，具有突發(fā)性。因此氫脆斷裂具有極大的破壞性。

產(chǎn)生氫脆斷裂的情況：

( 1) 氫的滲入。只有氫滲入金屬材料基體才能導(dǎo)致氫脆。 滲入金屬材料中的氫有以下三個(gè)來(lái)源：鋼在冶煉、焊接及熱處理過(guò)程中滲入；在電鍍、酸洗及放氫型腐蝕環(huán)境下滲入；在使用環(huán)境下滲入(如將金屬材料置于高溫氫氣氛中) 。

( 2) 在拉應(yīng)力作用下發(fā)生氫脆。滲入金屬的氫在濃度梯度作用下擴(kuò)散而占據(jù)晶體點(diǎn)陣中的孔隙、晶界、空穴、位錯(cuò)、沉淀相及夾雜物與基體的界面、氣孔等缺陷。在拉應(yīng)力作用下，氫會(huì)產(chǎn)生向缺口根部、微裂紋尖端等局部應(yīng)力集中區(qū)域擴(kuò)散，形成氫的高度偏聚，并在這些部位產(chǎn)生氫脆斷裂。

該螺栓表面硬度約為518HV，心部硬度也有430HV，表明螺栓強(qiáng)度高，說(shuō)明該螺栓對(duì)氫脆很敏感。

螺栓斷口宏觀存在光亮區(qū)，微觀存在雞爪痕形貌，螺紋根部的沿晶裂紋，不分叉，這些都是氫脆的典型特征。螺栓在安裝后受拉應(yīng)力作用，螺紋根部存在應(yīng)力集中，氫向螺紋根部擴(kuò)散并聚集，最終使螺栓在此處產(chǎn)生氫脆裂紋而發(fā)生斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1） 螺栓斷裂為氫致延遲斷裂

（2） 螺栓氫致延遲斷裂的主要原因是螺栓氫含量偏高，在安裝應(yīng)力作用下發(fā)生氫致延遲斷裂。

（3） 12.9級(jí)螺栓表面發(fā)黑處理，解決了電鍍滲氫的問(wèn)題，但是，在加工過(guò)程中還要控制酸洗等工序，防止螺栓滲氫。