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高强度钢螺栓为什么会断裂失效？
发布者:好工品 发布时间:2018-08-13
螺栓作为重要的紧固件,其失效事故发生较多,造成的危害很大。其中,螺栓的氢脆断裂是较为常见的故障模式,由于氢脆大多与“批次性”问题有关,因此,危害性较大[1-3]。某汽车后车轮螺栓在装配过程中发生断裂,力矩要求为140～150 N·m,该螺栓材料为35CrMo高强度钢,基本加工工艺过程为:冷镦成形→磨滚花直径→滚花(直径)→热处理(850℃淬火+550℃回火)(气体保护,防止脱碳)→酸洗→磨光杆→滚螺纹→探伤→镀锌→包装。通过对断裂螺栓进行外观检查、断口宏微观观察、能谱分析,并对其进行组织检查、硬度及氢含量测试,以确定螺栓断裂的失效模式和失效原因,并给出解决措施。
1试验过程与结果
螺栓在装配过程中发生断裂,断裂位置位于螺杆与头部光滑连接60°锥面处,断裂螺栓的外观形貌见图1(a)。断口的宏观形貌见图1(b),可见断口较平齐,呈灰色,有明显的放射棱线,断口呈线源,从螺栓周向的一侧弧线起源向对侧扩展。将螺栓断口超声波清洗后在扫描电镜下观察其微观形貌,螺栓断口附近无宏观塑性变形,断口表面洁净,无腐蚀产物,断口较平齐,有明显的放射棱线,呈线源,源区低倍形貌,可见断裂源区位于次表面,沿螺栓周向弧线一侧向对侧扩展。螺栓断口整体均呈沿晶断裂特征,晶面上存在细小条状的撕裂棱线,局部可见二次裂纹。断裂后期为沿晶韧窝混合断裂特征。对螺栓断口进行能谱分析,可见螺栓主要成分元素Fe、Cr基本符合技术要求。
在螺栓断口附近,平行于断口方向截取试样,磨制抛光后进行维氏硬度测试,取6个点的平均值,测得螺栓的硬度为405.7 HV0.5,转换成洛氏硬度为42 HRC,GB/T 3077—1999《合金结构钢》中规定的硬度值为32～39 HRC,可见断裂螺栓硬度值超出标准要求的上限。换算成抗拉强度为1310 MPa。螺栓材料的显微组织正常,为回火索氏体,见图3。经检测同批次断裂螺栓的含氢量评价值为(2.0～2.5)×10-6,对于高强度钢,螺栓的氢含量相对较高。对螺栓进行快速冲断试验,断口形貌以韧窝特征为主。
从断口宏微观观察结果可知,整个断口表面洁净,无腐蚀产物,断口平齐,有放射棱线,断裂源区位于次表面,沿晶裂纹从螺栓周向一侧弧线起源向对侧扩展,以沿晶断裂为主,晶界面存在细小条状的撕裂棱线,局部可见二次裂纹,断裂后期呈沿晶韧窝混合断裂特征;另外,螺栓断口起源处未见明显机械损伤、异常加工痕迹、夹杂物等缺陷,螺栓组织正常,化学成分符合要求,硬度值偏高,超出了技术要求的上限。
螺栓快速冲击试验断口为韧窝特征,可排除螺栓回火脆性的可能性。根据以上现象可以判断螺栓的断裂性质为氢致脆性断裂。根据已有的关于氢脆断裂的研究成果,判断金属零件氢脆断裂失效的依据一般有7点,即
①宏观断口表面洁净,无腐蚀产物,断口平齐,有放射花样;
②显微裂纹呈断续而曲折的锯齿状,裂纹一般不分叉;
③微观断口沿晶分离,晶粒轮廓鲜明,晶界面上伴有变形线(发纹线或鸡爪痕),二次裂纹较少,撕裂棱或韧窝较多;
④失效部位应力集中严重,氢脆断裂源位于表面;应力集中小,氢脆断裂源位于次表面;
⑤失效件存在工作应力主要是静拉伸应力,特别是三向静拉伸应力;
⑥氢脆断裂的临界应力极限σH随材料强度的升高而急剧下降,一般硬度小于22 HRC时不发生氢脆断裂;
⑦一般钢中含氢量在(5～10)×10-6以上时就会产生氢致裂纹,但是对于高强钢,即使钢中含氢量小于1×10-6也可能发生氢脆断裂。由于实际工作条件下的复杂性和多种因素的影响,一般具有 ①、③、⑤条件即可判断金属零件属氢脆断裂[6-8]。
钢发生氢脆断裂影响因素主要有:抗拉强度、氢浓度、应力集中情况、受力情况等。以上影响因素中,抗拉强度和氢浓度是最主要的两个因素。检测结果表明,断裂螺栓的硬度为42 HRC,超出了技术要求的上限,转换成材料强度σb约为1310 MPa,试验测得断裂螺栓的氢含量为2.5×10-6,由于应力的作用,处在点阵间隙中的氢原子会通过扩散集中于缺口所产生的应力集中处,氢原子与位错的交互作用,使位错线被钉扎住,不能再自由活动,从而使基体变脆[4-5]。
螺栓的工艺流程表明热处理之后进行酸洗处理,酸洗过程中会引入一定量的氢,而该螺栓的强度较高,对氢更为敏感。在工艺设计改进方面应考虑尽量降低材料内部的氢含量。而一般工艺主要是通过提高除氢时间来保证,从目前螺栓的工艺来看,除氢时间仅为4 h,除氢效果不好。且螺栓断裂于60°锥面处存在缺口效应,氢更容易聚集,断裂螺栓整体断口均为沿晶特征,断口几乎没有塑性变形,伸长率低,说明材料脆性强,塑性差,螺栓在一定的应力条件下即可能发生氢脆。建议改善热处理工艺以降低螺栓的抗拉强度,增加除氢时间以降低氢含量,并对该批次螺栓进行200 h氢脆验证试验。
高强度钢螺栓为什么会断裂失效呢？因此我们可以知道1)失效螺栓断裂性质为氢致脆性断裂；2)断裂螺栓的硬度值较高,超出了技术要求的上限,组织未见异常；3)螺栓的断裂主要与螺栓抗拉强度较高和相对较高的氢含量有关。
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