20CrMnMo吊杆螺栓断裂失效分析

2016-05-26胡杰杨其全邹定强

铁路技术创新 2016年2期

■ 胡杰　杨其全　邹定强

20CrMnMo吊杆螺栓断裂失效分析

■ 胡杰杨其全邹定强

摘要：20CrMnMo吊杆螺栓在安装过程中发生断裂，采用宏观分析、化学成分分析、扫描电镜断口分析、金相检验及表面硬度检验等方法对螺栓的断裂原因进行分析。结果表明，吊杆螺栓在渗碳淬火时，在圆弧过渡处形成约0.8 mm深度的硬化层，导致该处强度较高，存在高的氢脆敏感性；之后的磷化处理中由于酸洗后脱氢不充分，导致圆弧过渡的应力集中处表面发生氢聚集，最终在安装应力作用下形成氢致裂纹，发生横向脆性断裂。

关键词：20CrMnMo；螺栓；渗碳；氢脆；应力集中；脆性断裂

0　引言

某机车车辆转向架用吊杆螺栓在安装过程中发生断裂，断裂位置见图1。该螺栓规格为M20×220 mm，材质为20CrMnMo，螺栓的主要技术要求：（1）渗碳淬火HRC48～52，渗碳层0.5～0.6 mm；（2）表面磷化处理，主要过程为碱液除油、酸液除锈、磷化、封闭。为了查明该吊杆螺栓断裂的原因，以便采取措施减少安全隐患，对断裂的螺栓取样进行检验和分析。

1　理化检验与结果

1.1宏观形貌

螺栓断裂位置为螺纹与杆部连接过渡区域，此处圆弧倒角半径为0.5 mm。螺栓表面未见明显加工缺陷，也无明显塑性变形特征。螺栓断口形貌见图2，断口平齐，无腐蚀产物，断裂从螺栓表面开始，并向螺栓芯部扩展。裂纹扩展区与轴向垂直，呈结晶颗粒状，并具有放射状撕裂棱线，裂纹源附近无明显塑性变形。断口呈现脆性断裂特征。

1.2化学成分

在断裂螺栓上截取一段，依据GB/T 3077—1999《合金结构钢》进行化学成分分析。检验设备为ARL4460真空直读光谱仪，检验结果见表1。可见断裂螺栓材质满足材料20CrMnMo技术要求。

图1　断裂位置　

图2　断口宏观形貌

表1　断裂螺栓化学成分%（wt）

1.3扫描电镜分析

图3为断口裂纹源A处高倍形貌，能清晰看到典型沿晶断口形貌，类似于冰糖块的堆积，也被称作冰糖状沿晶断口，并伴有少量二次裂纹，部分晶面上存在细小变形线。图4是裂纹扩展区的断裂形貌，沿晶形貌往芯部延伸，逐渐出现准解理花样，沿晶形貌深度约0.8 mm。

对断口边缘一周区域进行观察，发现在约0.8 mm深度范围内（图5虚线圆圈外侧区域）均为沿晶形貌。图6—图8分别为3处位置的电镜照片。

根据螺栓断口扫描电镜结果可以看出，断口一周0.8 mm深度范围内存在大量沿晶断裂形貌。对于高强度钢来说，沿晶断口的产生可能与氢致延迟断裂有关。

1.4金相分析

对断口裂纹源处进行纵向剖开，进行金相观察。断口处未见明显非金属夹杂物。金相组织照片见图9，可见裂纹源处金相组织为回火屈氏体。

1.5表面硬度分析

对裂纹源及螺栓表面处进行金相观察，金相试样见图10，发现断口下方螺栓表面有一层深色硬化层，长度延伸到第一个螺纹扣，深度约0.8 mm，其低倍金相见图11，表面明显可见一层深色组织，对其进行显微维氏硬度测试（压力大小为9.807 N），结果见表2和图12。螺栓表面硬度值为477 HV，随着深度的增加，硬度逐渐降低，芯部硬度约为400 HV，硬度值大于440 HV的硬化层深度为0.8 mm。

图3　裂纹源区沿晶形貌（2 000×）

图4　裂纹扩展区形貌（500×）

图5　沿晶形貌所占区域（圆圈外侧区域）

图6　位置B处沿晶形貌（1 000×）　

图7　位置C处沿晶形貌（1 000×）

图8　位置D处沿晶形貌（1 000×）

图9　裂纹源处金相组织照片（500×）　

图10　金相试样照片

图11　表面低倍金相照片（图10中虚线框区域）

表2　断口附近表面硬度　HV1

图12　表面硬度梯度测试结果

2　检验结果分析

2.1断裂性质分析

螺栓断口无宏观塑性变形，断裂起始区较平齐，有放射花样；断口一周0.8 mm深度范围内主要为沿晶形貌特征；断裂性质应属于脆性断裂性质。

2.2断裂原因分析

对断口的微观分析表明，裂纹源区及扩展区存在大量沿晶断口形貌，对于高强度钢来讲，断裂过程中沿晶断口的产生可能与氢脆有关。

螺栓光杆部位要经过渗碳淬火处理，从而提高其表面硬度和耐磨性，由断口金相观察可知，光杆和螺纹部位的连接处同时受到了渗碳淬火的影响，在表面形成一层深度约0.8 mm的硬化层（增碳层），最大硬度值为477 HV1。参照GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》标准，换算得出连接处表面强度值约为1 575 MPa，属于高强度范围，存在高的氢脆敏感性。

表面磷化处理前，为了去油除锈，需要进行酸洗工艺，酸洗过程中金属与酸发生化学反应，反应所产生的氢除以氢分子形式逸出外，还有部分氢可能进入金属内部。在高强度钢中，氢主要以原子态存在，常偏聚于位错下形成气团，是造成氢脆的主要原因。

螺栓光杆与螺纹连接处采用小半径圆弧过渡（R0.5 mm），此处为螺栓应力集中较大部位。对于高强度钢，即使钢中氢含量小于0.000 1%，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应力集中处，氢原子与位错的交互作用使位错钉扎不能自由活动，从而使基体变脆。当应力集中处的氢含量达到临界时，在安装应力和氢的共同作用下使过渡圆弧表面产生沿晶裂纹，当主裂纹达到临界尺寸时，裂纹失稳扩展，造成螺栓突然脆断。