发动机底座高强度六角头螺栓断裂的失效分析

2013-08-16张青春梁世河徐国平

机械工程材料 2013年1期

王会，张青春，梁世河，徐国平

（1.国家标准件产品质量监督检验中心，海盐314300；2.海盐海泰克标准件研发有限公司，海盐314300）

0 引言

某紧固件厂生产的一批规格为M12×30mm、性能等级为12.9级的六角头螺栓，材料为42CrMo钢，制造标准为GB／T 5782－2000，螺栓表面经发黑处理，其制备工艺为盘条→球化退火→酸洗→磷化→皂化→冷拔→冷镦成型→螺纹加工→清洗→热处理→水洗→氧化（发黑）→水洗→浸防锈油。该螺栓为发动机底座螺栓，在某发动机上安装了8枚，安装24h后发现有2只螺栓断裂，由于发现及时，虽然没有造成发动机部件严重受损，但也影响了发动机的正常工作。为了防止螺栓断裂的再次发生，作者对该螺栓的失效原因进行了分析。

1 理化检验与结果

由图1可见，螺栓断口平齐，无塑性变形，断面与轴线垂直，为脆性断口，在断口附近无明显的腐蚀痕迹。用线切割从试样断口处切取一块试样，先用酒精清洗，然后利用超声波清洗机在丙酮溶液中清洗20min，再经去离子水清洗后干燥，观察该断口的形貌，并分析其化学成分。以垂直于裂纹源断面方向的侧面作为金相试样的端面，机械磨抛后再用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，观察其显微组织并测其硬度。

1.1 断口宏观形貌

采用Olympus SZ61型光学显微镜对螺栓的断口形貌进行观察，由图2可见，螺栓断裂位置为螺纹部分，距螺纹末端约16mm；断口平直，表面粗糙，断口附近无宏观塑性变形，整个断面呈深灰色，其上可见多个银白色亮区。

可将断口分为三个区域：即沿螺纹牙根的断口边缘区，该部分颜色较暗，呈现一定的发散状，属于裂纹源区；断口上向中心扩展的部分为裂纹扩展区，该区域呈灰白色，有一定的金属光泽，有少量台阶，整体比较平坦，该区域面积较大，为快速断裂区；断口上月牙状白亮部分比较粗糙，为最终瞬断区，附近无缩颈及塑性变形迹象。全部断口沿螺纹牙根形成，高低不平，台阶延伸较长。

图2 螺栓断口的宏观形貌Fig.2 Macrograph of fracture of bolt

1.2 断口微观形貌

采用S3400N型场发射扫描电子电镜观察断口形貌。由图3（a）可见，裂纹源区微观形貌均为冰糖状沿晶断裂，断面上存在大量的鸡爪形撕裂棱，断口平齐呈冰糖状，没有明显的塑性变形迹象，说明断口呈现较强的脆性，断口形貌属于沿晶脆性开裂，无微观塑性变形特征，晶粒均匀细小。由图3（b）可见，扩展区形貌主要为沿晶和韧窝混合形貌，该区域形貌与裂纹源区大体相同，说明裂纹源区与扩展区断口处的组织相同，该区域未发现有明显的非金属夹杂物和气孔等缺陷［1］。通过电镜可观察到断面上有较多的细小发纹穿过晶界扩展，且有较多的撕裂棱，这是氢脆断口的典型微观特征，扩展区发现有类似于准解理断裂的河流状花样，其断裂机制也属于解理断裂，见图3（c）。高倍下可见瞬断区微观形貌为剪切韧窝，见图3（d）。

1.3 显微组织

沿螺栓中心线纵向截取试样，通过热镶嵌法制成金相试样。采用4XC型光学显微镜对显微组织进行观察。由图4可见，螺栓各部分的组织完全相同，均为回火索氏体组织，为正常的平衡组织。螺栓表面有0.1mm深的渗碳层，说明该螺栓的表面硬度较高。螺纹根部有一条直裂纹，裂纹沿晶开裂，不分叉。

1.4 硬度

采用TH300型硬度计对失效螺栓的螺纹根部、表面和心部进行硬度测试，按GB／T 3098.1—2000要求进行。螺栓表面硬度为518HV0.3，比心部硬度高约80HV0.3（心部要求硬度的范围为385～435HV0.3），不符合标准要求；而螺栓的心部硬度为434HV10，虽然符合要求，但是总体水平接近硬度上限，个别点超过硬度上限。表1为失效螺栓螺纹根部的硬度。

1.5 化学成分

利用直读光谱仪对螺栓的化学成分进行分析，由表2可见，失效螺栓的化学成分符合GB／T 3077－1999的规定。

表1 失效螺栓螺纹根部的硬度Tab.1 Hardness at the root of thread of failure bolts HV0.3

表2 失效螺栓的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of failure bolts（mass）%

1.6 氢含量

在螺栓螺纹段距离表面0～3mm的区域取样，采用H－3000型定氢仪测定氢含量。结果显示，失效螺栓试样的氢含量为10mg·kg－1，而正常螺栓的氢含量应小于3mg·kg－1，这说明断裂螺栓亚表层区域的氢含量较高。

2 断裂原因分析

失效螺栓的组织为回火索氏体，螺栓断口宏观存在光亮区，微观存在“鸡爪状”形貌，螺纹根部的沿晶裂纹不分叉，这些都是氢脆的典型特征。螺栓安装后存放时受拉应力作用，由于螺纹根部存在应力集中，这就使得此处的受力状况更加恶劣。

根据以上栓验结果，按照对氢脆断裂失效的判据［2］，该12.9级高强度螺栓的失效应属于氢脆断裂。首先，在各种不同的显微组织中，对氢脆敏感性从大到小的一般顺序为马氏体、上贝氏体（粗大贝氏体）、下贝氏体（细贝氏体）、索氏体、珠光体、奥氏体［3］，因而螺栓的索氏体组织是氢脆敏感组织。其次，强度大于1 200MPa时，材料中的氢含量在5～10mg·kg－1时即可导致氢脆［4］；根据硬度及氢含量的测试结果，推算其抗拉强度达到了1 200MPa，亚表层氢含量为10mg·kg－1；正常情况下，该螺栓的抗拉强度为1 000MPa，表面硬度和心部硬度相当，由于失效螺栓可能因热处理不当而导致强度过高，内外硬度差异较大，从而对氢脆的敏感性增加。再次，螺栓受到的工作应力主要是静拉应力，在螺纹根部存在应力集中。最后，氢脆断裂宏观断口表面清洁，无腐蚀产物，断口平齐，有放射花样［2］；氢脆微观断口为沿晶断裂，晶粒轮廓鲜明，晶界上伴有变形线（发纹线或鸡爪痕），二次裂纹较少，撕裂棱或韧窝较多，这些特征在失效螺栓上都能找到。