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            12.9級六角頭螺栓斷裂失效分析

            1. 概述

            委托方提供兩枚斷裂螺栓殘件及兩件同批次完好螺栓,兩殘件為同一斷裂件的兩部分,斷口吻合。該螺栓規格為M24×2×140,性能等級12.9級,材質為35CrMo,樣品表面發黑處理。該螺栓安裝在車輛主減速器軸承安裝壓蓋上,安裝扭矩900N?m,車輛運行500小時后發現螺栓斷裂。圖1所示為送檢的失效螺栓與完好螺栓宏觀形貌,可見斷裂位置位于螺紋部位,斷面垂直于螺栓軸向,斷面附近無明顯宏觀塑性變形。

            送檢螺栓宏觀形貌

            圖1 送檢螺栓宏觀形貌

            圖2所示為經去油污處理后的斷面宏觀照片,可見兩斷面上部區域均有一扇形腐蝕區,扇形腐蝕區的圓心位于斷口邊緣的螺紋處,該處銹蝕特別嚴重,圓心外圍則腐蝕相對較輕,呈灰褐色,扇形區域之外為新鮮斷口。從斷面條紋走向可知斷裂源區即為扇形腐蝕區的圓心位置,該部位正好位于螺紋牙底。值得注意的是,經比對發現,位于兩斷面上的扇形腐蝕區的外形完全吻合,這說明腐蝕發生在斷口分離之前,所以可排除由于斷口后期保存不當造成腐蝕的可能。

            斷面宏觀形貌

            圖2 斷面宏觀形貌

            2. 掃描電鏡斷口分析

            圖3所示為斷面掃描電鏡宏觀形貌,圖中所示A區為斷裂源區,即為圖2中所示的扇形腐蝕區的圓心位置,另外可見裂紋源外側的螺紋面上也有腐蝕造成的麻坑。

             斷裂源區宏觀形貌

            圖3 斷裂源區宏觀形貌

            圖4所示為裂紋源區外側螺紋面上的形貌,可見由腐蝕造成的麻坑

            螺紋面上的腐蝕麻坑

            圖5所示為裂紋源區能譜分析結果,可見斷面腐蝕產物中含有Cl、S等元素。

            斷裂源區能譜分析

            圖6、圖7所示為經清洗后的裂紋源區微觀照片,可見冰糖狀沿晶形貌,并伴有晶界二次裂紋,圖7所示還可見晶面上有少量雞爪痕。

            斷裂源區微觀形貌

            圖6 斷裂源區微觀形貌

            圖7 斷裂源區微觀形貌

            圖8所示為斷面快速擴展區微觀形貌,可見準解理形貌。

            斷面快速擴展區微觀形貌

            圖8 斷面快速擴展區微觀形貌

            圖9所示為試樣斷面終斷區微觀形貌,可見韌窩形貌。

            圖9 斷面終斷區微觀形貌

            3. 金相檢測

            圖10所示為斷裂螺栓芯部金相組織,為回火索氏體組織。

            試樣芯部金相組織

            圖10 試樣芯部金相組織

            圖11所示斷裂螺栓縱向剖面非金屬夾雜物評定,根據“GB-T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準”可評定為D類(球狀氧化物夾雜,細系)1.5級。

            斷裂螺栓非金屬夾雜物評定

            圖11 斷裂螺栓非金屬夾雜物評定

            圖12所示為斷裂螺栓完好螺紋處金相組織,可見螺紋牙側碳勢正常,螺紋牙頂存在折疊,但折疊深度未超過牙高的1/4,根據“GB/T 5779.1-2000”規定,此類折疊允許存在,且牙頂折疊不是造成螺栓斷裂的原因。

            圖12 斷裂螺栓螺紋金相

            4. 硬度檢測

            對斷裂螺栓進行硬度試驗,結果如表1所示,螺栓芯部硬度已接近“GB/T 3098.1-2010緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱”標準中對12.9級螺栓硬度要求的上限。

            表1 斷裂螺栓硬度檢測結果

            斷裂螺栓硬度檢測結果

            5. 螺栓材質分析

            表2 斷裂螺栓化學成分

            采用直讀光譜法對斷裂螺栓進行化學成分分析,結果如表2所示,化學成分符合“GB/T3077-1999”標準中對35CrMo鋼的要求,如表2所示。

            斷裂螺栓化學成分

            6. 螺栓氫含量測定

            對斷裂件及完好件分別進行氫含量檢測,結果如表3所示。完好螺栓氫含量較低,斷裂螺栓芯部氫含量也未見明顯異常,唯獨裂紋源附近氫含量較高,這說明螺栓的制造工藝未導致明顯的滲氫,裂紋源處的氫應來自外來介質腐蝕。

            表3 螺栓氫含量檢測

            螺栓氫含量檢測

            7.綜合分析

            斷裂螺栓斷口附近未見明顯宏觀塑性變形,斷面大面積為沿晶、準解理形貌,為脆性斷裂;裂紋源位于螺紋牙底,該處腐蝕嚴重,能譜分析顯示腐蝕產物中含有Cl、S等元素;氫含量檢測結果表明,裂紋源處氫含量較高,其余部位較低,完好螺栓也未見滲氫。斷面微觀形貌顯示,裂紋源處為沿晶斷口,并伴有晶間二次裂紋及晶面雞爪痕,呈氫脆斷裂特征。綜上分析可知,螺栓是受到外來物質腐蝕后,導致局部滲氫并引起氫脆斷裂。

            8. 結論。

            一、螺栓的斷裂性質為氫脆;

            二、引起螺栓氫脆斷裂的原因是螺栓受到外來介質腐蝕而導致局部滲氫;

            三、螺栓化學成分、硬度均符合標準要求,金相組織正常。

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