30CrMnSiA螺栓断裂的失效分析

2016-07-21徐周珏董娜洪都航空工业集团理化测试中心江西南昌330024

工业技术创新 2016年2期

徐周珏，董娜（洪都航空工业集团理化测试中心，江西南昌，330024）

30CrMnSiA螺栓断裂的失效分析

徐周珏，董娜
（洪都航空工业集团理化测试中心，江西南昌，330024）

摘要：飞机上装配的螺栓在使用过程中发生断裂失效，对断裂螺栓的断口进行了宏观观察与微观分析研究，还针对螺栓材料进行了硬度测试和金相组织分析。研究结果表明：该螺栓的断裂性质为氢脆断裂，裂纹产生原因与零件的热处理工艺有关；零件的材料强度远远超过图纸要求的强度，增加了零件的氢脆敏感性。

关键词：30CrMnSiA螺栓；沿晶断裂；氢脆断裂

引言

螺栓在飞机上的使用量很大，主要用于紧固和连接［1］。1个螺栓断裂，严重时将危及飞机的安全，可见螺栓的作用不仅重要，而且非常关键。螺栓的氢脆断裂经常表现为延迟断裂现象，前期检查不容易被发现，这将给飞行埋下安全隐患；如果当飞机飞行中螺栓突然发生断裂，则极有可能引起严重的飞行事故。一般情况下，螺栓氢脆断裂主要原因是氢含量过高［2］。在中高强度钢生产中，由于热处理工艺不当，导致强度过高而产生的氢脆断裂的情况较为少见。本文针对30CrMnSiA螺栓，由于其热处理工艺不当，导致硬度过高而产生氢脆断裂情况进行了分析。

某型飞机上有1个螺栓在使用过程中出现断裂失效，该螺栓装配在飞机的部件上较长时间才开始应用飞行。螺栓材料为30CrMnSiA，螺栓表面镀锌，镀锌后的除氢工艺符合技术文件要求。本文通过对该螺栓进行宏观分析、硬度测试、扫描电镜分析和金相分析，确定了其失效性质及原因，并提出预防措施。通过后续飞行验证，该型飞机上使用的相同材料和型号的螺栓再未发生氢脆断裂现象，提高了该型飞机的飞行安全性能。

1 试验过程与结果

1.1 断口宏观观察

断裂螺栓的宏观观察如图1所示，螺栓断裂位置位于螺栓头部。

图1 螺栓断裂位置

断口宏观形貌如图2所示，该螺栓的断口较平齐，呈亮灰色。断口基本呈结晶颗粒状，只在一侧边缘有一小部分呈纤维状特征。

图2 螺栓断口宏观形貌

1.2 断口微观观察

将螺栓断口试样用超声波清洗仪清洗后吹干，置于TESCAN VEGA扫描电子显微镜下进行断口微观观察，裂纹起源于螺栓表面，断口上大部分区域可见沿晶断裂特征，未见明显的腐蚀产物，晶粒轮廓鲜明，晶界上有细小的鸡爪形的撕裂棱线，如图3所示。

图3 螺栓断口微观形貌

1.3 组织观察与硬度检查

螺栓横向截取金相试样，通过碾磨抛光并经过3%硝酸酒精溶液腐蚀后，放在莱卡DMI5000金相显微镜下观察，其金相组织见图4。由图可见，金相组织均为针状马氏体组织。

图3 螺栓断口微观形貌

沿该螺栓横截面制取显微硬度试样，经W I L S O N显微硬度计进行3次显微硬度检测，显微硬度硬度值分别为591.63HV0.5、5 8 6.1 7 H V 0.5、5 8 6.2 1 H V 0.5，平均值为588HV0.5，换算为抗拉强度约为2008MPa，而该零件图纸要求使用状态的抗拉强度为1075～1275MPa。

2 分析与研究

2.1 结果分析

螺栓断口平坦，断裂位于螺栓头部转角处，且起源于螺栓表面，整个断口无明显宏观可见塑性变形，断口表面平齐，断口呈灰亮色，且有金属颗粒光泽，断口表面干净无腐蚀产物。微观可见沿晶特征，以及晶面上的鸡爪痕等变形痕迹。从断口特征和断裂位置可以判断该螺栓的断裂性质为氢脆断裂。

当表面应力集中严重时，若是断裂性质为氢脆，则裂纹源区位于零件次表面［3］。从零件的使用情况分析，该螺栓使用过程中所受的力为静应力，这个也符合氢脆的断裂条件。

2.2 影响因素研究

中高强度钢氢脆断裂的影响因素主要有强度、氢含量、应力集中三个方面［4］。其中，强度和氢含量是两个为最关键的影响因素。螺栓在镀锌过程中不能避免氢的渗入，采取镀锌后除氢处理可消除。据委托方提供的工艺，对于30CrMnSiA调质态镀锌后除氢工艺应该是符合要求的，但检测到失效螺栓的硬度HRC值为588，换算出来的强度值约为2008MPa，远远超于30CrMnSiA正常使用态的抗拉强度。

材料强度越大，其氢脆敏感性也越大，材料也越容易吸氢［5，6］。这么高的强度远远增大了30CrMnSiA氢脆敏感性。从热处理工艺考虑，正常调质态的30CrMnSiA不可能达到这个硬度，且正常调质态金相组织应为索氏体组织，而失效件金相组织为针状马氏体组织。在各种不同的显微组织中，马氏体对氢脆的敏感性最大，接下来贝氏体、索氏体、珠光体、奥氏体等组织对氢脆的敏感性依次降低［7］。所以该螺栓的组织为氢脆敏感组织。

从螺栓机械性能和组织结构两方面考虑，都大大降低了材料发生氢脆断裂的门槛。因此，综合判断该螺栓的断口原因是：热处理工艺不当导致的氢脆断裂。

3 结论与建议

该螺栓由于热处理工艺不当导致零件硬度偏高和金相组织不正常，在服役过程的静应力作用下发生了氢脆断裂。

建议如下：一是严格控制螺栓的热处理工艺，确保该型号螺栓的硬度满足图纸要求；二是严格控制该型螺栓的电镀后除氢工艺，通过氢脆敏感性试验保证每批螺栓的氢脆敏感性都是合格的。

通过后期跟踪验证：该型飞机上使用的相同材料和型号的螺栓再未发生氢脆断裂现象，提高了该型飞机的飞行安全性能。

参考文献

［1］孙国峰，宣祎恂，江纯伟.螺栓断裂失效分析［J］.理化测试.2011（01）.

［2］杨永生.锁紧螺栓断裂原因分析［J］.金属热处理.2011（S1）.

［3］王文娟.高强度螺栓钢的耐延迟断裂研究分析［J］.科技创新导报.2011（35）.

［4］穆妍君，杨峻，文翰剡.30CrMnSiA钢螺栓断裂原因分析［J］.金属热处理.2014（01）.

［5］周艳，张洁.高强度螺栓断裂原因分析［J］.理化检验（物理分册）.2014（07）.

［6］孙小炎.合金钢螺栓的氢脆［J］.航天标准化.2012（01）.

［7］武光宗，王毛球，王春芳，甘国友，董瀚.回火马氏体钢中氢的扩散行为及其氢脆敏感性［J］.材料热处理学报.2012（01）.

Fracture Failure Analysis of 30CrMnSiA Bolt

Zhoujue Xu， Na Dong
（Physics & Chemistry Test Center of Hongdu Aviation Industry Group， NanChang， 330024， China）

Abstract：During using on flight，a bolt fractured.Through macro and microscopic studying，morphology of fracture surface were observed，metallurgical microstructure and hardness of the bolt were analyzed.The results showed that the fracture mode of the bolt were hydrogen embrittlement fracture.The bolt fracturing was caused by the susceptibility to hydrogen embrittlement related to the heat treatment process， the material were enhanced beyond requirement.

Key words：30CrMnSiA Bolt； Intergranular Fracture； Hydrogen Embrittlement

中图分类号：TG115

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-176-03

DOI：工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.017

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