鎖緊螺栓失效分析

1. 概述

委托方提供失效鎖緊螺栓殘件兩枚，材質(zhì)為SCM435，性能等級為12.9級，規(guī)格為M18×1.5×25，表面電鍍?nèi)齼r藍白鋅。螺栓制造工藝為：材料改制—冷鐓成型—熱前輾牙—桿部鉆孔—熱處理—表面處理（電鍍及驅(qū)氫）。送檢螺栓安裝于變速器軸端，對軸端進行鎖緊固定，安裝時使用扭矩槍擰緊，螺栓未涂油，服役過程中出現(xiàn)螺栓斷裂現(xiàn)象，委托方要求分析其斷裂原因。圖1所示為送檢試樣宏觀形貌，將兩枚失效螺栓殘件分別標記為1#和2#。圖2、圖3所示為2#失效件裂紋處內(nèi)外表面宏觀形貌，可見裂紋位于頭下圓角處，同時頭部六角孔內(nèi)壁可見明顯的裂紋，說明裂紋已貫穿頭下圓角處整個壁厚。

圖1  送檢試樣宏觀形貌

圖2  2#螺栓殘件裂紋處外表面宏觀形貌

圖3  2#螺栓殘件裂紋處內(nèi)表面宏觀形貌

2. 斷口分析

圖4所示為1#螺栓殘件斷口低倍形貌，可見斷面平整，無明顯塑性變形。斷口存在明顯的撕裂臺階，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡。將斷面分為A1、B1、C1三個區(qū)域進一步描述。

圖4 1#螺栓殘件斷口低倍形貌

圖5所示為A1區(qū)微觀形貌，可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，晶面可見“雞爪”形發(fā)紋?？拷强變?nèi)壁的局部區(qū)域可見明顯的韌窩形貌，該區(qū)域為終斷區(qū)。

圖5 斷面A1區(qū)微觀形貌

圖6所示為B1區(qū)微觀形貌，可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，晶面可見“雞爪”形發(fā)紋?？拷强變?nèi)壁的局部區(qū)域可見明顯的韌窩形貌，該區(qū)域為終斷區(qū)。

圖6 斷面B1區(qū)微觀形貌

圖7所示為C1區(qū)微觀形貌，可見明顯的韌窩形貌與沿晶形貌并存的混合型形貌。

圖7 斷面C1區(qū)微觀形貌

將2#螺栓殘件沿裂紋處打開，宏觀形貌如圖8所示，選取下方殘件進行斷口分析。

圖8  2#螺栓殘件裂紋打開后宏觀形貌

圖9所示為2#螺栓殘件斷口低倍形貌，可見斷面平整，無明顯塑性變形，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡。將斷面分為A2、B2、C2三個區(qū)域進一步描述。

圖9  2#螺栓殘件斷口低倍形貌

圖10所示為A2區(qū)低倍形貌斷面可見明顯的“人”字紋，收斂處指向頭下圓角近表面（箭頭所示），該區(qū)域為斷裂起始區(qū)。

圖10 斷面A2區(qū)低倍形貌

圖11所示為A2區(qū)微觀形貌，可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，晶面可見“雞爪”形發(fā)紋。圖12所示為A2區(qū)能譜分析結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)明顯的外來元素。

圖11 斷面A2區(qū)微觀形貌

圖12 斷面A2區(qū)能譜分析結(jié)果

圖13所示為B2區(qū)低倍形貌斷面可見明顯的“人”字紋，收斂處指向頭下圓角近表面（箭頭所示），該區(qū)域為斷裂起始區(qū)。

圖13 斷面B2區(qū)低倍形貌

圖14所示為B2區(qū)微觀形貌，可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，晶面可見“雞爪”形發(fā)紋。圖15所示為B2區(qū)能譜分析結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)明顯的外來元素。

圖14 斷面B2區(qū)微觀形貌

圖15 斷面B2區(qū)能譜分析結(jié)果

圖16所示為C2區(qū)微觀形貌，可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，晶面可見“雞爪”形發(fā)紋。圖17所示為C2區(qū)能譜分析結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)明顯的外來元素。

圖16 斷面C2區(qū)微觀形貌

圖17 斷面C2區(qū)能譜分析結(jié)果

3. 金相檢測

截取2#螺栓殘件斷口處縱截面進行金相觀察，起裂處如圖18所示，斷口附近頭下圓角表面未發(fā)現(xiàn)明顯的折疊、裂紋等不連續(xù)性缺陷。

圖18  斷口處縱截面金相組織

圖19所示為斷口附近頭下圓角表面金相組織，未發(fā)現(xiàn)脫碳或増?zhí)棘F(xiàn)象。

圖19  斷口附近頭下圓角表面金相組織

圖20所示為斷口附近縱截面金相組織，未發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳現(xiàn)象或分支裂紋。

圖20  斷口附近縱截面金相組織

截取完好件頭部縱截面進行金相觀察，頭下圓角處低倍組織如圖21所示，頭下圓角處未發(fā)現(xiàn)明顯的折疊、裂紋等不連續(xù)性缺陷，圓角半徑約為3.1mm，符合委托方提供的圖紙技術要求（3.0-4.0mm）。

圖21  完好件頭下圓角低倍組織

圖22所示為2#螺栓螺紋部位縱截面金相組織，未脫碳層高度E =0.877mm，全脫碳層深度G=0，同時未發(fā)現(xiàn)明顯的不連續(xù)性缺陷，符合委托方提供的圖紙技術要求。

圖22  2#螺栓螺紋部位縱截面金相組織

圖23所示為2#螺栓殘件芯部顯微組織，為均勻的回火索氏體，無異常。

圖23  2#螺栓殘件芯部顯微組織

圖24所示為2#螺栓殘件非金屬夾雜物形態(tài)，根據(jù)“GB/T 10561-2005”標準可判定為D類球狀氧化物（細系）1.5級，無異常。

圖24  2#螺栓殘件非金屬夾雜物形態(tài)

4. 硬度檢測

對2#螺栓殘件進行表芯硬度檢測，結(jié)果如表1所示，表芯硬度均符合“GB/T 3098.1-2010”標準中關于12.9級螺栓的要求。

表1  2#螺栓表芯硬度測試結(jié)果

5. 化學成分分析

采用直讀光譜法對完好螺栓進行化學成分分析，結(jié)果如表2所示，符合“GB/T JIS G4053:2008”標準中關于SCM435鋼的要求。

表2  完好螺栓化學成分（%）

對2#螺栓斷口附近取樣進行氫含量測試，結(jié)果如表3所示，氫含量較低。

表3  2#螺栓氫含量試驗結(jié)果

6．綜合分析

送檢螺栓頭下圓角尺寸、表面缺陷、顯微組織、表芯硬度、化學成分等指標均未發(fā)現(xiàn)異常。斷口形貌顯示，斷裂起始于螺栓頭下圓角近表面，微觀形貌可見大面積的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴有晶間二次裂紋和晶面“雞爪”形發(fā)紋，具有典型的氫致延遲斷裂（氫脆）特征。氫脆是由于氫滲入金屬內(nèi)部而產(chǎn)生損傷，導致零件在低于材料屈服極限的靜應力作用下發(fā)生的斷裂失效。影響零件氫脆敏感性的因素主要有：含氫量、顯微組織、強度、硬度及所受應力等。通常零件基體含氫量越高，強度越大，硬度越高，所受應力越大，則越容易誘發(fā)氫脆斷裂。

本案例中，送檢螺栓性能等級為12.9級，強度、硬度較高（通常零件的硬度大于32HRC時就有氫脆傾向），氫含量檢測結(jié)果顯示，失效螺栓斷口附近含有1ppm左右的氫，氫含量較低。由于氫脆失效是在氫和應力的共同作用下產(chǎn)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(fā)生斷裂。螺栓內(nèi)部的氫一般來源于原材料、表面酸洗、電鍍處理和外部環(huán)境腐蝕作用。由于螺栓頭部內(nèi)六角孔結(jié)構的影響，導致頭下圓角處承載面積較小，裝配后該處承受的應力水平較高，即使螺栓氫含量較低，仍然可能發(fā)生氫脆。

7. 結(jié)論

（1）送檢螺栓的失效模式為氫脆；

（2）送檢螺栓所檢項目均未發(fā)現(xiàn)異常；

（3）建議螺栓表面處理由電鍍鋅改為磷化處理。